PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL TRABAJO DE GRADO

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Trabajo de grado

Ingeniería Civil

PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA

FACULTAD DE INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL

TRABAJO DE GRADO

Adherencia de la varilla con la mezcla de concreto obedeciendo a la forma y textura de las gravas de la misma procedencia AUTOR

Andrea Tatiana Osorio Vanegas

DIRECTOR

José Antonio Magallon Gudiño

Bogotá D.C JUNIO 2014

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Ingeniería Civil

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Ingeniería Civil

CARTA DE APROBACIÓN

APROBACIÓN

El Trabajo de grado con título “Adherencia de la varilla con la mezcla de concreto obedeciendo a la forma y textura de las gravas de la misma procedencia”, desarrollado por la estudiante Andrea Tatiana Osorio Vanegas, en cumplimiento de uno de los requisitos depuestos por la Pontificia Universidad Javeriana, Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería civil, para optar el Título de ingeniero Civil, fue aprobado por:

Ing. José Antonio Magallon Gudiño Director de trabajo de grado

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Ingeniería Civil

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Ingeniería Civil

Adherencia de la varilla con la mezcla de concreto obedeciendo a la forma y textura de las gravas de la misma procedencia.

Andrea Tatiana Osorio Vanegas

La Pontificia Universidad Javeriana, no es responsable por los conceptos emitidos por los autores-investigadores del presente trabajo, por lo cual son responsabilidad absoluta de sus autores y no comprometen la idoneidad de la institución ni de sus valores.

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Ingeniería Civil

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TABLA

1.

Ingeniería Civil

D E C ON TE N I D O

Objetivo general ............................................................................................ 14 1.1. Objetivos especificos................................................................................ 14

2.

Antecedentes y justificacion ........................................................................... 15

3.

Marco teorico ................................................................................................ 18 3.1. Generalidades .......................................................................................... 18 3.2. Mecanismos de adherencia entre concreto y acero ................................. 19 3.2.1. Adhesion quimica .............................................................................. 20 3.2.2. Rozamiento ....................................................................................... 21 3.2.3. Interaccion mecanica ......................................................................... 21 3.2.4. Rotura ................................................................................................ 21 3.3. Factores que intervienen en la adherencia hormigon - acero .................. 22 3.3.1. Propiedades del concreto .................................................................. 23 3.3.2. Propiedades del acero ....................................................................... 24 3.3.3. Recubrimiento.................................................................................... 26 3.3.4. Posición de las barras respecto a la dirección del concreto.................................................................................................... 27 3.3.5. Confinamiento.................................................................................... 29 3.3.6. Historia de carga................................................................................ 30 3.3.7. Otros factores .................................................................................... 30 3.3.8.

Diseño de mezcla ................................................................................. 31

3.3.8.1. Concreto de peso normal .................................................................. 31 3.4. Concreto reforzado................................................................................... 39 3.4.1. Dimensiones de las varillas ............................................................... 39 7

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4.

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Metodología ................................................................................................... 41 4.1. Moldes...................................................................................................... 42 4.2. Especímenes de concreto ........................................................................ 42 4.2.1. Diseño de mezcla .............................................................................. 42 4.2.2. Mezcla ............................................................................................... 51 4.2.3. Encofrar ............................................................................................. 52 4.2.4. Desencofrar ....................................................................................... 52 4.2.5. Curado ............................................................................................... 52

5.

Analisis y resultados....................................................................................... 62 5.1. Analisis deformación vs esfuerzo ............................................................. 62 5.3. Analisis deformación por adherencia ....................................................... 66 5.4. Diferencia en porcentaje de la adherencia dependiendo del tipo de grava utilizado.............................................................................................................. 68

6.

Conclusiones.................................................................................................. 70

7.

Bibliografia ..................................................................................................... 71

TABLAS Tabla 1. Valores de cálculo de tensión de adherencia fbd, en mpa, según ec2 para buenas condiciones de adherencia ___________________________________ 24 Tabla 2. Valores de asentamiento recomendados para diversas clases de construcción fuente: sánchez, 1994. __________________________________ 34 Tabla 3. Relación entre la resistencia la compresión y algunos valores de la relación a/c fuente: sánchez, 1994. ___________________________________ 35 Tabla 4. Recomendaciones granulométricas para agregado fino según norma icontec 174 (astm c33) fuente: sánchez, 1994. __________________________ 36

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Tabla 5. Valores de b/b0 para diferentes módulos de finura de la arena fuente: sánchez, 1994. ___________________________________________________ 37 Tabla 6. Dimensiones de la varilla corrugada fuente:jhy y chung, 2010 ________ 40 Tabla 7. Granulometría agregado fino fuente: propia ______________________ 43 Tabla 8. Resultado ensayo gravedad específica agregado fino. Fuente: propia. _ 45 Tabla 9. Peso unitario. Fuente: propia. ________________________________ 46 Tabla 10. Granulometría agregado grueso. Fuente: propia. ________________ 46 Tabla 11. Resultados gravedad específica fuente: propia __________________ 48 Tabla 12. Resultados masa unitaria. Fuente: propia. ______________________ 48 Tabla 13. Especificaciones del cemento fuente: propia ___________________ 49 Tabla 14. Asentamiento. Fuente: propia. _______________________________ 50 Tabla 15. Tabla cantidades diseño de mezcla. Fuente: propia. ______________ 50 Tabla 16. Diseño de mezcla agregado canto rodado ______________________ 51 Tabla 17. Diseño de mezcla agregado triturado. Fuente: propia. _____________ 51 Tabla 18.resistencia a los 7 días del concreto agregado canto rodado. Fuente: propia __________________________________________________________ 53 Tabla 19.resistencia ultima del concreto agregado canto rodado. Fuente: propia. 53 Tabla 20. Resistencia a los 7 días del concreto agregado mixto. Fuente: propia. 53 Tabla 21. Resistencia última del concreto agregado mixto. Fuente: propia. ____ 54 Tabla 22.resistencia a los 7 días del concreto agregado triturado. Fuente: propia. _______________________________________________________________ 54 Tabla 23. Resistencia última del concreto agregado triturado. Fuente: propia. __ 54 Tabla 24. Resultados del esfuerzo por adherencia y la deformación de los tres tipos de agregados con las cuatro diferentes varillas. Fuente: propia. _________ 65 Tabla 25. Valores numéricos del esfuerzo de adherencia y la deformación para varilla #3. Fuente: propia ___________________________________________ 66 Tabla 26 valores numéricos del esfuerzo de adherencia y la deformación para varilla #4. Fuente: propia ___________________________________________ 66 Tabla 27. Valores numéricos del esfuerzo de adherencia y la deformación para varilla #5. Fuente: propia ___________________________________________ 67

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Tabla 28. Valores numéricos del esfuerzo de adherencia y la deformación para varilla #6. Fuente: propia ___________________________________________ 67 Tabla 29 comparación de % entre gravas con varilla #3 ___________________ 68 Tabla 30 comparación de % entre gravas con varilla #4 ___________________ 68 Tabla 31 comparación de % entre gravas con varilla #5 ___________________ 68 Tabla 32 comparación de % entre gravas con varilla #6 ___________________ 69

TABLA

D E I L U S TR A C I ON E S

Iilustración 1 fallo por splitting fuente: (tepfers 1973) ______________________ 27 Iilustración 2. Secuencia prueba astm 234-91. Fuente: propia_______________ 41 Iilustración 3.vista superior montaje ensayo maquina universal. Fuente: propia _ 59 Iilustración 4.vista frontal montaje ensayo en la maquina universal. Fuente: propia _______________________________________________________________ 59

TABLA

D E E C U A C I ON E S

Ecuación 1. Tensión media de adherencia _____________________________ 23 Ecuación 2 Tensión de adherencia para barras lisas _____________________ 23 Ecuación 3 Tensión de adherencia para barras corrugadas ________________ 24 Ecuación 4. Indice de corrugas ______________________________________ 25 Ecuación 5. Longitud básica de anclaje posición i ________________________ 28 Ecuación 6. Longitud básica de anclaje posición ii ________________________ 28 Ecuación 7. Relacion agua cemento fuente: sánchez, 1994. ________________ 36 Ecuación 8. Agregado fino fuente: sánchez, 1994. _______________________ 37 Ecuación 9. Agua en exceso o defecto respecto a la condición sss. Fuente: sánchez, 1994 ___________________________________________________ 38 Ecuación 10. Peso de la muestra húmeda fuente: sánchez, 1994. ___________ 38 Ecuación 11. Absorción de la muestra en tanto por uno. Fuente: sánchez, 1994. 38 Ecuación 12. Material humedo fuente: sánchez, 1994. ____________________ 39 10

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Ecuación 13. Deformación por adherencia fuente: sánchez, 1994. ___________ 40 Ecuación 14. Esfuerzo de adherencia _________________________________ 60 Ecuación 15. Deformación por adherencia. Fuente: astm234-91_____________ 61

TABLA

D E I MÁ GE N E S

Imagen 1 influencia de la altura de corruga a y, separación entre corrugas c´, en el tipo de fallo, fuente: (rehm 1969)........................................................................... 25 Imagen 2. Molde vista frontal fuente: propia.......................................................... 42 Imagen 3. Molde vista superior fuente: propia....................................................... 42 Imagen 4. Tamices granulometría fuente: propia .................................................. 43 Imagen 5. Ensayo gravedad específica fuente: propia .......................................... 45 Imagen 6. Ensayo absorción fuente: propia .......................................................... 47 Imagen 7. Ensayo masa unitaria fuente: propia .................................................... 48 Imagen 8. Relación agua cemento fuente: tecnología del concreto. ..................... 49 Imagen 9.tipo de falla ............................................................................................ 55 Imagen 10.resistencia de cilindros a 7 días con agregado canto rodado. Fuente: propia. ................................................................................................................... 55 Imagen 11. Resistencia de cilindros a 7 días con agregado mixto. Fuente: propia. .............................................................................................................................. 56 Imagen 12. Resistencia de cilindros a 7 días con agregado triturado. Fuente: propia. ................................................................................................................... 56 Imagen 13.resistencia de cilindros a 28 días con agregado canto rodado fuente: propia .................................................................................................................... 57 Imagen 14.resistencia de cilindros a 28 días con agregado mixto fuente: propia . 57 Imagen 15. Resistencia de cilindros a 28 días con agregado triturado. Fuente: propia. ................................................................................................................... 58 Imagen 16. Posición lvdt's. Fuente: propia. ........................................................... 60

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TABLA

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D E G R Á FI C A S

Gráfica 1. Relación tensión de adherencia local – deslizamiento esquemática fuente: (magnusson 2000) .................................................................................... 20 Gráfica 2. Limites granulometría para agregado fino. Fuente: propia. .................. 44 Gráfica 3. Limites granulometría agregado grueso. Fuente: propia. ..................... 47 Gráfica 4. Esfuerzo vs deformación comparación agregados con varilla #3 fuente: propia. ....................................................................................................... 63 Gráfica 5.esfuerzo vs deformación comparación agregados con varilla #4 fuente: propia. ....................................................................................................... 63 Gráfica 6.esfuerzo vs deformación comparación agregados con varilla #5 fuente: propia. ................................................................................................................... 64 Gráfica 7.esfuerzo vs deformación comparación agregados con varilla #6 fuente: propia .................................................................................................................... 64

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1.

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OBJETIVO GENERAL

Evaluar la influencia del agregado grueso en su forma y textura en la adherencia del acero de refuerzo corrugado en el concreto.

1.1.

OBJETIVOS ESPECIFICOS



Diseñar la mezcla de concreto que se va a utilizar en los especímenes para los ensayos con su refuerzo a tensión.



Determinar los valores numéricos de la adherencia del acero en el concreto utilizando 3 tipos de agregado grueso usados en Colombia.



Encontrar la relación que existe en la adherencia del acero en el concreto utilizando diferentes tipos de agregado grueso variando su geometría y textura.

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2. ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION

Uno de los componentes importantes para la fabricación del concreto hidráulico es el agregado grueso. Este agregado está constituido por partículas que poseen formas y texturas dependiendo de su origen, en base a ello, podemos clasificar tres tipos de gravas para la elaboración del concreto utilizado en la construcción de edificios de concreto reforzado. Un tipo de grava puede tener forma redondea y textura lisa, cuando se trata de grava de canto rodado, su forma se debe a que fueron acarreadas por corrientes de agua. Otro agregado grueso, está formado por partículas que tienen forma angulosa y textura áspera, su origen es producto de la trituración de piedra extraída de canteras, y un tercer tipo de agregado es la combinación de los dos anteriores. La adherencia es el principio básico del funcionamiento del concreto reforzado como material estructural mediante la cual se transmiten los esfuerzos de tracción entre sus materiales constitutivos. Una de las hipótesis básicas a considerar en el cálculo de estructuras de concreto es suponer que se produce la misma deformación para el concreto y el acero, admitiendo por lo tanto que la adherencia entre ambos materiales es perfecta. Sin embargo, algunas circunstancias que se producen durante las diferentes fases del proceso constructivo, del período de utilización o de mantenimiento, pueden llegar a deteriorar los mecanismos de transferencia de tensiones entre el acero de refuerzo y el concreto Fy disminuir la capacidad portante y las condiciones de seguridad de las estructuras en servicio. Además de los relacionados con las características de la barra hay que tener en cuenta otros aspectos tales como las propiedades del concreto, el recubrimiento, la posición de las barras respecto a la dirección de concreto, el confinamiento ya que es muy importante e, la historia de carga, etc., (CEB−FIP 1996). Aún no se ha investigado en Colombia, la influencia que puede tener en la adherencia entre el acero de refuerzo y el concreto, la forma y textura de las partículas que constituyen el agregado grueso utilizado para elaborar concreto, se desconoce si pueda influir o no. Para este trabajo de grado la investigación introduce aspectos novedosos a tener en cuenta en el comportamiento de adherencia del concreto con el acero de refuerzo estructural dependiendo de las propiedades del concreto por lo tanto es de gran importancia investigar y verificar que todos sus componentes estén entre los rangos y tengan buenas propiedades NTC 174 (2000) y así encontrar que efecto tienen los componentes del concreto en la adherencia

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Es de gran importancia en nuestros días, tanto por la necesidad de realizar las inspecciones de edificios, el control del comportamiento y la evaluación de las estructuras en términos de seguridad y economía, tal como lo menciona el código de sismoresistencia NSR-10 (2010) en su fórmula de longitud de desarrollo, en el cual el factor de adherencia hace parte clave, teniendo un valor contante no afecta mucho. Pero al si hay un valor de este factor de adherencia para cada tipo de grava va a tener implicaciones tanto económicas como de seguridad. Un aspecto importante a tener en cuenta en la evaluación de una estructura existente de concreto reforzado es la caracterización de los mecanismos de transferencia de tensiones entre el acero y el concreto. La complejidad del fenómeno de la adherencia entre el concreto y el acero se debe a que son muchos los factores y parámetros que intervienen, tanto de carácter físico como químico. Los componentes del concreto pueden afectar la adherencia entre el concreto y el acero, dependiendo de su procedencia y propiedades un ejemplo es el agregado fino entre más irregular es, más fricción ejerce en la adherencia Chang et al (2001), también se debe tener en cuenta que otros componentes pueden afectar dicha adherencia como por ejemplo la corrosión ya que es de gran importancia y puede llegar a afectar significativamente la adherencia entre el acero y el concreto Suprenant at al (1999) Entre las principales causas que pueden originar, bien la degradación de la adherencia del concreto – acero o bien la aparición de fisuras paralelas al acero desencadenantes de una falla de adherencia, el deterioro de los materiales constitutivos, concreto y acero, la agresividad medioambiental, y un nulo o insuficiente control y mantenimiento, que podría evitar en muchos de los casos el deterioro de las estructuras. Los fallos que se desencadenan por una falta de adherencia dependen principalmente del tipo de barra y de las propiedades del concreto. Pueden ser por pull − out, que consiste en el deslizamiento de la armadura respecto al concreto, o por splitting, en el que se fisura longitudinalmente el recubrimiento según la dirección de la armadura. Debido a que la dirección de estas fisuras coincide con la del refuerzo, exponen la armadura en toda su longitud y pueden resultar peligrosas (Giuriani 1991). Factores como la separación lateral entre barras, la presión transversal, la cuantía de acero transversal, etc., condicionan el tipo de falla de adherencia, en estructuras de concreto armado con barras corrugadas la falla de adherencia más común es el asociada a la fisuración longitudinal del recubrimiento (fib 2000). El splitting ha sido analizado por numerosos investigadores en los últimos años, sobre todo en anclajes (Tepfers 1973, 16

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Gambarova 1997) donde es de especial importancia, ya que un fallo de este tipo podría desencadenar una rotura imprevista. Por último, la norma ASTM 234-91 habla de la importancia de la forma y la textura del agregado grueso en la adherencia con el acero de refuerzo, pero es con un fin investigativo y solo evalúa un diámetro de varilla. Esta norma será la guía en que nos basemos para realizar las pruebas de esta tesis, con algunas modificaciones, como por ejemplo la cantidad diferente de diámetros de varilla a evaluar. Teniendo en cuenta que no hay mucha información al respecto, de la influencia de la forma y la textura del agregado grueso en las mezclas de concreto con la adherencia del acero estructural. Es de gran importancia los resultados obtenidos en esta tesis de grado en el sentido de la influencia que tendría en la longitud de desarrollo dando este factor una mayor economía y seguridad en las obras.

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3. MARCO TEORICO

3.1.

GENERALIDADES

El concreto ha sido uno de los materiales más utilizados en la construcción de edificios y obras de ingeniería en genera desde la segunda mitad del siglo XX, en las últimas décadas se han descubierto y mejorado muchos aspectos en términos de composición de los materiales, concretos y aceros, sin embargo, las teorías fundamentales no han cambiado significativamente El concreto reforzado en conjunto con la acción y propiedades que brinda el acero, realizan un complemento que desarrollan capacidades a esfuerzos logradas gracias al fenómeno de adherencia, si no existiese, la armadura desarrollaría capacidades independientes y se presentarían movimientos relativos de un material respecto al otro, es por ello que posee una importancia significativa La adherencia afecta múltiples aspectos del comportamiento de la estructura, no solo para estados límites de esfuerzos sino también para situaciones de servicio, en aspectos que pueden conllevar a deformaciones y fisuraciónes en los elementos, un ejemplo de los valores de adherencia se muestra en la siguiente grafica donde se investiga la influencia de la corrosión en la adherencia para un concreto de 24 Mpa Duck, (2004).

G RÁFICA 1. G RAFICA DUCK , (2004)

DE ESFUERZO DE ADHERENCIA VS DEFORMACIÓN FUENTE :

Uno de los síntomas notables de deficiencias de adherencia entre el concreto y el acero se puede notar con la aparición de fisuras, caso que se conoce como 18

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splitting, el cual es un tipo de rotura frágil muy peligrosa que elimina el recubrimiento de la armadura del elemento y genera perdida drástica de la rigidez Además el control de la fisuración es importante para garantizar los espesores de recubrimiento que garantizan la protección del refuerzo contra los agentes externos dañinos como la humedad o ambientes salinos que afectan notablemente el efecto de deterioro de la estructura

3.2. MECANISMOS DE ADHERENCIA ENTRE CONCRETO Y ACERO Existen diversos mecanismos resistentes en los que se basa la adherencia, a) adhesión química, b) rozamiento y c) interacción mecánica, en barras lisas la adherencia depende de la adhesión química y el rozamiento en la que interactúan los elementos, mientras en las barras corrugadas la adherencia se centra mayormente a partir de la interacción mecánica entre el concreto y las corrugas A continuación se hace una descripción de los diferentes mecanismos de adherencia y los tipos de fallo según los diagramas de adherencia y deslizamiento, obtenidos a partir de la sección de referencia y el concreto que lo rodea

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GRÁFICA 2. R ELACIÓN TENSIÓN DE ADHERENCIA ESQUEMÁTICA F UENTE : (M AGNUSSON 2000)

LOCAL



DESLIZAMIENTO

Curva a) situación bien confinada, curva b) sin confinamiento y fallo por splitting y, curva c) situación confinada, splitting al que sigue un fallo por pull −out. En la figura de la derecha la sección de referencia que se toma para medir el deslizamiento n 3.2.1.

ADHESION QUIMICA

En la primera fase la tensión de adherencia se genera gracias a la interconexión fisicoquímica entre las superficies del refuerzo y el concreto, la gráfica es lineal y se presentan pequeños deslizamientos debidos a la deformación del concreto correspondientes a tensiones de adherencia bajas.

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3.2.2.

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ROZAMIENTO

Al continuar con el proceso de carga aplicada, la tensión adhesión química se anula dándole responsabilidad a la tensión de adherencia como mecanismo resistente, que depende de las características irregulares de la barra de refuerzo En el caso de las barras corrugadas las corrugas inducen las tensiones en el concreto que bordea el elemento en la parte aledaña, apareciendo fisuras transversales internas en el mismo, según (Goto 1971) estas fisuras transversales generan cambios en la pendiente del diagrama en la fase B y los cambios en los deslizamientos que se producen según Bond (2000) en una tensión de adherencia comprendida entre 0.8 fct y 1 fct Esta tensión de adherencia, en la que aparecen las fisuras transversales dependen entre otros factores al F’c del concreto, la posición y dirección de la solicitación, el espesor de recubrimiento entre otros, a esta fase le corresponden pequeños factores de tensión. Lo que implica que ya para estados iniciales de carga se produce fisuración interna en el concreto reforzado 3.2.3.

INTERACCION MECANICA

Al incrementar la carga cambia el comportamiento del elemento de concreto y aumenta notablemente el deslizamiento de la barra debido a las fisuras internas que se generan, por lo que en esta fase el confinamiento de la sección cobra un papel muy importante junto con el recubrimiento de la sección y el tipo de armadura transversal 3.2.4.

ROTURA

En esta fase culmina el fallo de adherencia, si el concreto posee confinamiento la carga puede aumentar hasta alcanzar la tensión máxima de adherencia, el valor del esfuerzo cortante máximo también depende de entre otros factores la resistencia del concreto, el índice de las corrugas y la posición de la barra, a partir de superada la tensión máxima las condiciones de fallo y condiciones de confinamiento pueden ser:

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3.2.4.1. SPLITTING

Consiste en la aparición de fisuraciones longitudinales en el recubrimiento según la dirección del armado, se producen cuando los esfuerzos de tracción superan la capacidad del concreto y no existe confinamiento adicional al proporcionado por el recubrimiento, debido a que la dirección de estas fisuras exponen el recubrimiento, pueden generar efectos de corrosión y resultan peligrosas desde el punto de vista de la durabilidad de la estructura (Giuriani 1998) El splitting ha sido investigando por autores como (Tepfers 1973, Gambarova 1997, Vogel 2002) y principalmente para diámetros de barras grandes.

3.2.4.2. PULL-OUT

Consiste en el deslizamiento de la armadura dentro del elemento de concreto. Se pueden distinguir dos tipos:  

Deslizamiento de la barra, generalmente se produce en barras lisas Desprendimiento según una superficie envolvente de las corrugas, si las condiciones de confinamiento son elevadas, o queda garantizada la adherencia entre el concreto y el acero. En estructuras reales este tipo de fallo se produce en raras ocasiones.

Mientras que la rama ascendente del diagrama de adherencia ha sido ampliamente analizada, no ocurre lo mismo para la rama descendente debido principalmente a la gran cantidad de factores que influyen en ella.

3.3. FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA ADHERENCIA HORMIGON - ACERO

La complejidad del fenómeno de adherencia entre concreto y acero involucra muchos factores y parámetros que intervienen en esto procesos, además de las características de los elementos hay que tener en cuenta factores como el recubrimiento, la dirección del refuerzo en el elemento, el confinamiento, la historia 22

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de carga ya que todos influyen y hacen parte del funcionamiento del elemento en determinada situación. (CEB 1982).

3.3.1.

PROPIEDADES DEL CONCRETO

Las características mecánicas del concreto y la resistencia a la tracción, influyen decisivamente en el comportamiento de la adherencia, aunque es difícil determinar la influencia del parámetro de tensión de adherencia se puede considerar a partir de la monografía Ache (200) sobre ‘Armaduras pasivas en la instrucción EHE’ la siguiente información

( E CUACIÓN 1

)

TENSIÓN MEDIA DE ADHERENCIA

Siento τb la tensión media de adherencia para un concreto de resistencia f ck τbm la tensión media de adherencia producto del ensayo beam test, fck la resistencia característica a compresión del concreto y αun coeficiente experimental para concretos de resistencias menores a 30 Mpa y cuyo valor es: 1 para fck

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