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ANCLAJES Y EMPALMES.

CÁTEDRA: HORMIGÓN I.Año 2002.

Profesor: CARLOS RICARDO LLOPIZ.

FACULTAD DEINGENIERÍA.

UNIVERSIDAD NACIONALDE CUYO.

MENDOZA. ARGENTINA.

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Contenido.

EL MATERIAL COMBINADO HORMIGÓN ARMADO.

5.1. INTRODUCCIÓN.

5.2. LA ADHERENCIA EN ELEMENTOS DE HORMIGÓN ARMADO.5.2.1. ELEMENTO EN TRACCIÓN.5.2.2. ELEMENTO EN FLEXIÓN.

5.3. NATURALEZA DE LA RESISTENCIA DE ADHERENCIA.5.3.1. RELACIÓN TENSIÓN DE ADHERENCIA vs. DESLIZAMIENTO.5.3.2 BARRAS LISAS.5.3.3 BARRAS NERVURADAS.

5.4 INFLUENCIA DE LA POSICIÓN DE LA BARRA CON RESPECTO A LA COLOCACIÓN DEL HORMIGÓN QUE LAS RODEA.

5.5 INFLUENCIA DEL DIÁMETRO DE LA BARRA Y CONDICIONES DE LA SUPERFICIE.

5.6. EFECTO DEL CONFINAMIENTO.

5.7 PRESCRIPCIONES REGLAMENTARIAS DEL ACI-318 Y OTRAS NORMAS EN RELACIÓN AL DESARROLLO DE LAS ARMADURAS.

5.7.1. GENERALIDADES.5.7.2 DESARROLLO DE BARRAS CONFORMADAS A TRACCIÓN CON EXTREMOS RECTOS.5.7.3 DESARROLLO DE BARRAS LISAS A TRACCIÓN.5.7.4. DESARROLLO DE BARRAS CONFORMADAS A COMPRESIÓN.5.7.5 DESARROLLO DE BARRAS LISAS A COMPRESIÓN.5.7.6. DESARROLLO DE PAQUETES DE BARRAS.

5.7.7. DESARROLLO DE BARRAS EN TRACCIÓN CON EXTREMOS CON GANCHOS NORMALES.

5.7.7.1. INTRODUCCIÓN.5.7.7.2. LONGITUD DE DESARROLLO PARA BARRAS NERVURADAS CON EXTREMOS CON GANCHOS.

5.7.8. DESARROLLO DE MALLAS ELECTROSOLDADAS DE ACEROCONFORMADO SOMETIDAS A TRACCIÓN.

5.7.9. DESARROLLO DE MALLAS ELECTROSOLDADAS DE ACERO LISO SOMETIDAS A TRACCIÓN.

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5.8. EMPALMES DE ARMADURAS.5.8.1. INTRODUCCIÓN.5.8.2 EMPALMES DIRECTOS.

5.8.2.1. EMPALMES SOLDADOS.5.8.2.2. EMPALMES CON CONECTORES MECÁNICOS.

5.8.2.2.1. EMPALMES CON MANGUITOS ROSCADOS.5.8.2.2.2. EMPALMES CON MANGUITOS A PRESIÓN PARA BARRAS NERVURADAS.

5.8.3 EMPALMES INDIRECTOS.5.8.3.1. TRASLAPES DE TRACCIÓN.5.8.3.2. TRASLAPES DE COMPRESIÓN.

5.8.4. PRESCRIPCIONES REGLAMENTARIAS RESPECTOS A LOS EMPALMES.

5.8.4.1. EMPALMES POR TRASLAPE EN TRACCIÓN.5.8.4.2. EMPALMES POR TRASLAPE EN COMPRESIÓN.5.8.4.3. DISPOSICIONES ESPECIALES PARA DISEÑO SÍSMICO.

5.9. DESARROLLO DE LA ARMADURA EN FLEXIÓN.5.9.1. GENERALIDADES.

5.9.2. PRESCRIPCIONES REGLAMENTARIAS DEL NZS:3101 Y DEL ACI 318-95.

5.9.2.1. INTERRUPCIÓN DE LA ARMADURA DE TRACCIÓN. LONGITUDES DE EMBEBIDO.5.9.2.2. CONDICIONES PARA INTERRUMPIR LA ARMADURA.5.9.2.3. ANCLAJES EN ELEMENTOS DE SECCIÓN VARIABLE.5.9.2.4. DESARROLLO DE ARMADURA DE TRACCIÓN PARA MOMENTO POSITIVO.5.9.2.5. DESARROLLO DE LA ARMADURA PARA MOMENTO NEGATIVO.5.9.2.6. DESARROLLO DE LA ARMADURA DEL ALMA.

5.10. CONSIDERACIONES ESPECIALES DEL NZS:3101 PARA ANCLAJES Y EMPALMES EN ELEMENTOS SOMETIDOS A TERREMOTOS.

5.10.1. EMPALMES E INTERRUPCIÓN DE BARRAS.5.10.2. LONGITUD EFECTIVA DE ANCLAJE EN NUDOS.5.10.3. SITUACIÓN EN NUDOS INTERIORES VIGA-COLUMNA. RELACIÓN DIÁMETRO DE BARRA CON PROFUNDIDAD DE COLUMNA.5.10.4. DIÁMETRO DE BARRAS DE LOSAS COLABORANTES.5.10.5. ANCLAJES EN PROLONGACIÓN DE VIGAS (BEAM STUBS).5.10.6. USO DE ARMADURA TRANSVERSAL PARA REDUCIR ldh.5.10.7. CONDICIONES ESPECIALES PARA BARRAS DE COLUMNAS.

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5.11. NUEVAS TENDENCIAS PARA EL ANCLAJE DE BARRAS.

5.12. REFERENCIAS.EL MATERIAL COMBINADO HORMIGÓN ARMADO.

5.1. INTRODUCCIÓN.

Tal cual se expresó capítulos anteriores, el hormigón armado es un materialcompuesto. La eficiente interacción de los dos componentes constituyentes requierede una adherencia e interacción confiable entre el acero y el hormigón.

Básicamente, las recomendaciones y exigencias de los códigos apuntan aasegurar que las barras de acero estén adecuadamente embebidas en un hormigónbien compactado de modo que las mismas puedan desarrollar su resistencia (almenos de fluencia) sin que se produzcan deformaciones excesivas. Es decir sedeben observar requerimientos de rigidez, resistencia y de compatibilidad dedeformaciones.

Fig. 5.1(a). Falla de Anclaje de las Armaduras, en el Viaducto Cypres, durante elterremoto de Loma Prieta, 1989, San Francisco. California.

En la teoría del hormigón armado generalmente se asume como hipótesis deque las deformaciones específicas del hormigón, εc, y del acero εs, son iguales. Estoimplica suponer que la adherencia entre el hormigón y las barras de acero esperfecta, por lo cual no habría desplazamiento relativo entre los materiales en lasuperficie de interfase. Si se recuerda que la deformación límite del hormigón entracción es del orden de 0.2x10-3, es decir de un orden menor que la deformación del

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acero ADN-420 para fluencia (2x10-3, que es similar al valor de deformación paramáxima tensión de compresión en el hormigón) se comprenderá que es imposiblepostular εc = εs, en particular para estados donde el hormigón armado tengacomportamiento francamente no lineal. Tal cual se expresó en el capítulo 1, en zonasde alta sismicidad, las condiciones de diseño hacen que ciertas zonas críticas seaninducidas a plastificar. En ese contexto, pueden aparecer fisuras de tracción multi-direccionales por lo que las condiciones de adherencia se ven seriamentedeterioradas a menos que se comprenda el fenómeno y se adopten condicionesespeciales para el detalle y la construcción. Se ha dicho en varias oportunidades quepara tener comportamiento dúctil en el hormigón armado se deben evitar o demoraral máximo posible dos tipos de fallas por ser frágiles: las de corte por un lado, y lasde adherencia y anclaje por otro.

Para las situaciones normales, y las extremas cuando actúa por ejemplo elsismo severo, se debe admitir en el hormigón armado convencional (noprecomprimido) la formación de fisuras debidas a tracción. Si bien εc no es igual aεs, la hipótesis de igualdad de deformaciones, a los efectos del diseño de lassecciones, puede admitirse como válida pues está ampliamente demostrado que dabuenos resultados. Sin embargo, se debe cuidar el diseño y detalle de modo que lasfisuras puedan considerarse como capilares (del orden de la décima de mm). Paraesto, en las condiciones de trabajo del material compuesto hormigón armado laadherencia cumple un rol fundamental, y por ello la ref. [1] indica que el aspecto másimportante en el detalle de las estructuras de hormigón armado apunta a que lascondiciones de adherencia sean las más efectivas. Lamentablemente esto no esmuy comprendido en la práctica real, y en general se han prior izado los cálculosnuméricos de las secciones de hormigón armado antes que el diseño y detalle de lasmismas, de los elementos estructurales completos y de sus conexiones. Muchosterremotos pasados han dado cuenta de falta de adecuados detalles de anclaje,como los que se muestran en la Fig. 5.1(a) y (b), durante los terremotos de LomaPrieta (1989) y San Fernando (1971), ambos en California, EEUU.

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Fig. 5.1(b). Falla de arrancamiento de las barras durante el terremoto de SanFernando, 1971. California. EEUU.

Algunos autores, Ref.[2], hacen una distinción entre dos estados para elcomportamiento del hormigón armado: (i) Estado I: la zona traccionada no seencuentra fisurada, y el hormigón contribuye a resistir la tracción; y (ii) Estado II:cuando superado el valor máximo de deformación por tracción aparecen numerosasfisuras, y entonces es la armadura la que debe resistir la tracción.

Fig. 5.2. Generación de fuerzas de anclaje y de adherencia por flexión.

El concepto fundamental alrededor del cual gira la interacción entre el acero yel hormigón es que se van a desarrollar tensiones de adherencia entre dossecciones en la superficie de contacto siempre y cuando exista variación entre lastensiones del acero entre ambas secciones. La Fig. 5.2 muestra dos casos típicosdonde se desarrollan tensiones de adherencia indicadas con u, y designadasmuchas veces como fuerzas de corte por unidad de área. El otro conceptofundamental es que una barra se debe extender y estar embebida en el hormigónuna distancia ld, conocida como longitud de desarrollo, para poder transferir a éste, ypor ende desarrollar la fuerza que se desee.

En la Fig. 5.2(a), por ejemplo, caso de tracción simple, se ve que para que setransmita el esfuerzo T al bloque de hormigón es necesario que se desarrollen lastensiones u en la longitud ld. Dos aspectos se hacen notar: primero que las tensionesu no son uniformes a lo largo de ld, sino que varían de acuerdo a lo que luego seexplicará, y segundo que esas tensiones u existen porque sección a sección latensión de tracción fs en el acero varía desde un máximo en el extremo libre (dondecomienza el empotramiento) a cero al final de ld, por la transferencia de esfuerzosque se hace hacia el hormigón. La distribución de tensiones fs y u es bastantecompleja, pero por el momento adviértase el fenómeno físico de transferencia deesfuerzos. En la Fig. 5.2(b), caso de tracción por flexión, se observa que, dado que elmomento flector varía a lo largo del tramo de viga analizado, los esfuerzos de

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tracción varían también, de T a T+∆T, y por lo tanto existen tanto esfuerzos de corteen el tramo de viga, como de corte por unidad de área en la interfase acero-hormigón, es decir tensiones u, que restituyen el equilibrio interno.

Para el caso de la Fig. 5.2(a), la fuerza de corte por unidad de área desuperficie de barra se puede escribir así:

sbbs f

doAf

oq

u ∆=∆

==∑∑ 4

(5.1)

Donde:q = cambio de fuerza en la barra por unidad de longitud.∑o = área nominal de la superficie de la barra por unidad de longitud.db = diámetro nominal de la barra∆fs = cambio en la tensión del acero por unidad de longitud.Ab = área nominal de la barra.

Si u se considerara como uniforme a lo largo de ld, y T es el esfuerzo atransferir, entonces se puede calcular la longitud de desarrollo ld a partir de lassiguientes expresiones:

T = Ab fs = u ∑o ld (5.2a)

sb

d fu

dl

4= (5.2b)

Para la Fig. 2(b), la tensión de adherencia responde a la expresión:

u = ∆T / π db ∆x (5.3)

Algunos códigos, Ref. [3] sección 18.4, tabla 24, especifican valorespermisibles para las tensiones u, lo cual permite calcular, en función de otrasvariables que luego se mencionarán, la longitud de desarrollo ld. Más adelante sehará referencia a los requisitos que estipula el código ACI-318, Ref.[4], y la norma deNueva Zelanda, Ref. [5]. La tendencia actual de normas de hormigón armado ennuestro país hace que sean estas dos últimas las normas que se aplicarán en elfuturo cercano. Para zonas sísmicas, además, ambas normas son las másracionales de aplicación.

5.2. LA ADHERENCIA EN ELEMENTOS DE HORMIGÓN ARMADO.

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5.2.1. ELEMENTO EN TRACCIÓN.

La Fig. 5.3(a) muestra una barra prismática de hormigón armado sometida ensus extremos a un esfuerzo de tracción P. Si bien el caso que se presenta esgeneral, vamos a suponer, a los efectos de hacer algunas evaluaciones numéricas,que la pieza tiene sección cuadrada, de 500 x 500 mm de lado, con una barra simplede 40 mm de diámetro en su eje y que la misma sobresale apenas del hormigónpara poder aplicar la fuerza sólo en el acero. Suponemos que la longitud embebidade la barra es de 4000mm. Se asume además que el hormigón tiene una resistenciacaracterística f´c= 21 MPa, por lo que de acuerdo al ACI-318, el material poseería unmódulo de elasticidad longitudinal cercano a Ec= 21000 MPa y una resistencia atracción del orden de fcr= 0.33√f´c=1.5 MPa. Para el acero, supóngase que es unabarra conformada, tipo ADN 420, es decir con fy= 420 MPa y Es= 210000 MPa. Larelación de módulos de materiales es entonces n=10. El área total de acero es As=1250 mm2, por lo que la cuantía es ρs= 0.005 = 0.5 %. Para permanecer en estado Ise supone que la carga axial P alcanza un valor máximo de 250 KN (es decir 25 ton).

La 5.3 pertenece a la ref.[2], por lo cual la nomenclatura no es la misma quecorresponde al ACI ni a la utilizada en el curso. De todas maneras, las relaciones soninmediatas.

Fig. 5.3. (a) Vista longitudinal y Sección transversal; (b) Distribución de tensiones fsen estado I; (c) Tensiones de tracción en el hormigón; (d) Tensiones de adherencia.

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Las Fig. 5.3(b), 3(c) y 3(d) muestran respectivamente y a lo largo de lalongitud de la barra, la distribución de tensiones de tracción fs (σe en la figura) en elacero, de tensiones de tracción ft (σb en la figura) en el hormigón y de adherencia u(τ1 en la figura). Corresponden las siguientes observaciones:

(i) Note la variación de las tensiones del acero desde un máximo de200 MPa a un mínimo de 9.6 MPa (se deja al lector la demostraciónrespectiva).

(ii) A partir de la sección extrema comienza la transferencia deesfuerzos desde el acero al hormigón, el que toma tensiones desdecero hasta 0.96 MPa. Este valor es menor que el límite de tracciónde 1.50 MPa, supuesto antes.

(iii) En este tramo de transición, debido a la variación de tensiones enel acero, deben aparecer tensiones de adherencia, que tienen unadistribución bastante compleja, según muestra la figura.

(iv) La fuerza que se debe transferir por adherencia no es el total T=250KN, sino la diferencia entre Pso, fuerza que toma el acero en lasección 0 o extrema, y Ps1 que es la fuerza que permanece en elacero en la sección 1-1. Esta es la sección donde se alcanza lacompatibilidad de deformaciones, es decir donde εc = εs. Esamisma fuerza a tomar en la transición de superficie de ambosmateriales es entonces la que el acero “descarga en el hormigón”, ypor ende también, la que el hormigón tiene que tomar en el tramocentral de la barra, de valor constante, hasta la transición en el otroextremo. Ese valor vale entonces, 238 KN (de nuevo se deja allector su derivación).

(v) En las zonas extremas, zona de tensiones axiales variables y udistinta de cero, no es válida la aseveración de que εc = εs, y labarra presenta un deslizamiento dentro del hormigón hasta que sealcanza la total compatibilidad. En el tramo central, se supone queexiste contacto perfecto, no hay deslizamiento, las tensiones axialespermanecen constantes y u= 0.

(vi) Si se admitiera una distribución uniforme de tensiones para u (lejosde la realidad, pero que se admite a los fines prácticos), y setomara como valor límite el de u =0.3 21 = 1.37 MPa, la longitud dedesarrollo sería cercana a 1450 mm, es decir la relación ld / db delorden de 36, lo cual es típico de admitir en estos casos. Para tenercomo referencia, vale la pena mencionar que el texto ref.[6] davalores para la tensión de adherencia para estado último del ordende 1.2 cf ´ , y los autores del texto admiten que en experimentos y

bajo ciertas condiciones se han llegado a medir valore de u ≈2.5 cf ´ .

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Si ahora la carga P se aumenta en forma considerable, digamos cerca dedos veces más, es obvio que, tal cual se indica en la Fig. 5.4(a), aparecerán en elhormigón fisuras en las zonas más débiles de su estructura interna por habersesuperado el límite de su capacidad de deformación de tracción, sección 1 porejemplo. En ese caso, el hormigón debe transferir todo el esfuerzo en esa sección alacero, el cual tendrá un pico de tensión nuevamente, e igual al que corresponde a lassecciones extremas. El efecto de adherencia hace que el acero intente nuevamentetransferir parte de los esfuerzos a ambos lados de las fisuras hacia el hormigón. Sevan generando longitudes de desarrollo ld a medida que la carga aumenta, conaparición de nuevas fisuras, cuya configuración y separación depende del grado deadherencia. Las Fig. 5.4(b), (c) y (d) muestran cómo han variado para este estado IIlas distribuciones de tensiones en el acero y en el hormigón, como así también laszonas del interior de la barra donde se generan tensiones de adherencia, con elsigno distinto (cambio de sentido) a cada lado de la fisura. Entre fisuras principales,que son aquellas que abarcan todo el ancho por lo que la sección de hormigón escompletamente interrumpida, se generan fisuras menores o secundarias, que no sepropagan hasta la superficie externa. En este último caso la sección de hormigónpuede tomar cierta proporción de tracción.

Fig. 4.distribución detensiones para elestado II, hormigónfisurado.

La Fig. 5.5muestra un esquemade fisuras principales,secundarias y sentidode las tensiones deadherencia.

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Fig. 5. Deformación del hormigón entre fisuras y sentido de las tensiones de adherencia.

5.2.2. ELEMENTO EN FLEXIÓN.

La Fig. 5.6 muestra un tramo de elemento en flexión donde aparecen fisurasde tracción.

Fig. 5.6. Elemento sometido a flexión con fisuras por tracción.

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Fig. 5.7. Efecto de fisuración en elementos de hormigón armado.

Suponiendo que los momentos varíen desde M1 en la cara izquierda a M2 enla cara derecha de dicha porción de viga, tal cual se esquematizan en la Fig. 5.7(a),se generarán tensiones de corte en el tramo ya que hay variación de las fuerzas detracción en el acero.

Las Fig. 5.7(b) a (f) indican respectivamente la distribución de momentosflectores M, de tensiones de adherencia u, de tensiones de tracción ft en elhormigón, de tensiones de tracción en el acero fs y del módulo de rigidez a flexión EI.Tal cual muestra la Fig. 5.2(b), las fuerzas de adherencia en una porción de viga delongitud ∆x, se generan a causa de que las tensiones en el acero, y en consecuencialas fuerzas de tracción, varían de T a T+∆T. Si se supone una distribución uniformede u en ese tramo, por equilibrio deber ser:

∆T = u ∑o ∆x (5.4a)

y se puede admitir que la fuerza interna de tracción T debe variar en la misma formaque lo hace el momento externo M, por lo que entonces, siendo jd el brazo elásticoes:

xjdV

jdM

T ∆=∆

=∆ (5.4b)

de donde resulta:

∑

=ojd

Vu (5.5)

Esta ecuación indica que cuando el grado de variación del momento flector(esto es el esfuerzo de corte) es alto, las tensiones de adherencia resultaránelevadas. Debe aclararse, sin embargo, que la ecuación 5.5 es muy simplificada ysobre estima el valor real de las tensiones de adherencia. Esto es porque, tal cualmuestra la Fig. 5.7, la presencia de fisuras en el hormigón a intervalos discretos a lolargo del elemento hace que aparezcan tensiones adicionales de adherencia debidoa la tracción que es posible que el hormigón aún pueda desarrollar entre las grietas.

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Es decir, hay cierta redistribución de las tensiones, por lo que la ecuación anterior esmuy conservadora.

Es de hacer notar que, aún cuando la fuerza de corte sea nula (por ser zonade momento constante), se van a producir tensiones de adherencia debidas a lavariación de la fuerza de tracción en el acero. A tal respecto es interesante analizar laFig. 5.8, tomada de Ref.[2]. En esta figura, note que para el estado I no deberíanaparecer tensiones de adherencia en el tramo central, entre las fuerza P, pues comono deberían aparecer fisuras, no hay razón para que las fuerzas en el acero varíen enese tramo. Sí aparecerán, tal cual se indican, en el estado II.

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Fig. 5.8. Distribución de tensiones en viga de hormigón armado para estados I y II.5.3. NATURALEZA DE LA RESISTENCIA DE ADHERENCIA.

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5.3.1. RELACIÓN TENSIÓN DE ADHERENCIA vs. DESLIZAMIENTO.

Como para cualquier otro tipo de esfuerzo, es conveniente tratar deestablecer para los esfuerzos de adherencia una relación entre la rigidez y laresistencia . En este caso carece de sentido hablar de ductilidad. La Fig. 5.9, ref.[2],muestra distintas formas de llevar a cabo el ensayo de arrancamiento (pull-out).Consiste en traccionar una barra de acero embebida en el hormigón en una ciertalongitud de anclaje, lv en la figura, midiendo el desplazamiento de la barra conrespecto al hormigón en la parte de la misma que sobresale de este último.

L

a

Fig. 5.9 Probetas para el ensayo de arrancamiento y las correspondientes distribucionesde las tensiones de adherencia.

La forma y dimensiones de las probetas, ubicación y longitud del tramoempotrado, y otros factores influyen considerablemente en los resultados. Así porejemplo, si se quiere medir la respuesta para anclaje en hormigón no confinado, ladisposición mostrada en Fig. 5.9(a) no sería muy adecuada por la compresión

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transversal en la barra que se induce por la restricción a la deformación transversalde las placas de apoyo. Se dispondría en este caso de una adherencia adicional porresistencia al deslizamiento por la acción de presión transversal. De todas maneraseste tipo de circunstancias muchas veces está presente en las estructuras dehormigón armado debido a presiones laterales de confinamiento, sea por masa dehormigón o por acción de armaduras transversales. Las probetas dispuestas segúnFig. 5.9(b) y(c) eliminan el efecto anterior. La figura muestra además las complejasdistribuciones de adherencia sobre el tramo empotrado. A los efectos prácticos seadopta como tensión de arrancamiento la que corresponde al valor medio, es decir:

vlo

Pu

.∑= (5.6)

donde en la figura, debe tomarse a u = τ1m. Lo correcto sería tomar una tensiónmedia tal que no modifique la fuerza efectiva de adherencia (resultante de losdiagramas de tensión).

Fig. 5.10. Relación resistencia vs deslizamiento en barras lisas y barras nervuradas enhormigón armado.

La Fig. 5.10 permite establecer la relación entre las variables estáticas ycinemáticas, y poder expresar características de resistencia y rigidez. Se ve la claradistinción entre la respuesta de barras nervuradas o conformadas y la de barrasredondas lisas. Se puede definir entonces la rigidez al deslizamiento o rigidez deadherencia como la relación u/∆ = τ1/∆. Convencionalmente además, se define comoresistencia de adherencia aquella que se corresponde con un deslizamiento de 0.10mm. A su vez, la parte de rigidez infinita, que corresponde a contacto perfecto, sedesigna como adherencia por contacto. A continuación se comentan lascaracterísticas de estas curvas en relación a los dos tipos de barras mencionados,lisas y nervuradas.

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5.3.2 BARRAS LISAS.

La adherencia en barras lisas es atribuida fundamentalmente a la adhesiónquímica entre la pasta de mortero y la superficie de la barra. El inconveniente con eluso de las barras lisas es que aún con un nivel de tensiones axiales bajas seproducirá la rotura de tal mecanismo de ligazón debida a la tendencia dedeslizamiento de la barra en el hormigón que la rodea. Una vez que tal deslizamientoocurre, la adherencia será posible si se puede desarrollar cierta fricción entre lasrugosidades del agregado del hormigón y de la superficie de la barra. Enconsecuencia, esta reserva de adherencia en las barras lisas dependeráfuertemente de las condiciones de la superficie del acero. La Fig. 5.11, ref.[1],muestra diferentes configuraciones de la superficie de barras de acero redondasbajo diferentes condiciones de oxidación. La variación de las irregularidades,salientes y depresiones, es significativa, y por ende no es casual que losdiseñadores prefieran utilizar en el hormigón armado barras que estén con ciertogrado admisible de oxidación.

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Fig. 5.11. Ampliación del perfil de la superficie de barras lisas con cierto grado deoxidación.

Cuando las barras redondas de acero liso son sometidas a los ensayosstandard de carga para determinar su comportamiento al arrancamiento, tal cual semostró en la sección anterior, la respuesta es la que muestra la Fig. 5.10. Elincremento de la resistencia de adherencia por rozamiento es poca, el diagramatiende a ser horizontal explicando de esta manera el fenómeno de deslizamiento quese observa en el ensayo.

Dado que la reserva de resistencia de adherencia después de vencida laresistencia inicial química es mínima para las barras lisas, todos los códigos estánde acuerdo en que para el empalme y anclaje de barras redondas lisas enestructuras de hormigón armado deben utilizarse ganchos reglamentarios en susextremos.

5.3.3 BARRAS NERVURADAS.

En las barras con algún tipo de configuración superficial, obtenidanormalmente durante la operación de laminado de las barras, se aumentanotablemente la capacidad de adherencia debido a la interacción entre lasnervaduras y el hormigón que las rodea. La Fig. 5.12 muestra, por ejemplo, lasdiferentes tensiones inducidas entre dos nervios de una barra conformada.

Fig. 5.12. Mecanismos de resistencia que aparecenentre dos nervaduras de una barra conformada.

Básicamente, la resistencia al deslizamiento está asociada con las siguientestensiones:

(i) Tensiones de corte va debidas a la adherencia química en lasuperficie de contacto.

(ii) Tensiones de normales de apoyo fb, que actúan contra la cara de losnervios.

(iii) Tensiones de corte vc, que actúan sobre la superficie cilíndrica dehormigón entre las nervaduras adyacentes.

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La relación entre estos mecanismos de resistencia se puede consultar, porejemplo, en la ref.[1]. Al sólo efecto de comprender cualitativamente el fenómeno,pueden observarse las Fig. 5.13, de ref.[1] y Fig. 5.14, de ref.[2]. El mecanismo deresistencia más importante es el llamado resistencia de corte, mediante el cual, paraque se produzca algún deslizamiento de la barra, deben romperse por corte lasménsulas de hormigón que se forman entre las salientes de la barra. En ambasreferencias se marca la importancia de la relación a/c.

Fig. 5.13. Mecanismos de fallas en las nervaduras de barras conformadas. (a) cuando a/c> 0.15, (b) a/c < 0.10.

En la ref.[1] se deduce numéricamente la relación aproximada dada por:

bc fca

v ≈ (5.7)

es decir la relación entre la tensión de corte y la presión sobre las nervaduras.

Trabajos de investigación demostraron que la relación ca / deberíamantenerse cercana a 0.065. Así por ejemplo, los requerimientos de las normasASTM son tales que 0.057< ca / <0.072, y para las DIN 488, se impone0.065< ca / <0.10. Si las nervaduras son muy altas y su separación pequeña, larelación ca / crece, por lo que vc es elevada, y entonces este valor es el que controlala respuesta. En este caso la barra tenderá a deslizarse, por lo cual este tipo de falladebe evitarse. Si la separación c es mayor que 10 veces la altura a , entonces sepuede producir la desintegración del hormigón por compresión frente a la cara delnervio, y luego la falla se produce por separación del hormigón que rodea la barra.Note que fb puede alcanzar varias veces el valor de la resistencia cilíndrica f´c debidoa las condiciones de hormigón confinado en que se encuentra.

Las nervaduras son normalmente, tal cual se muestra en la Fig. 14, del tipomedialuna, paralelas entre sí e inclinadas con respecto al eje de la barra, pues se hademostrado que frente a las del tipo anulares y nervios perpendiculares al eje de labarra, tienen un mejor comportamiento frente a la fatiga y cargas cíclicas.

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La Fig. 5.10 muestra el comportamiento ampliamente superior de las barrasconformadas respecto de las lisas. Note el incremento de resistencia por encima dela de adherencia por contacto que poseen aquellas, que se atribuye a la resistenciapor corte antes explicada.

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Fig. 5.14. Ver leyenda de Fig. 4.7 de ref. [2].

Uno de los aspectos más influyentes de una buena adherencia está asociadoa el desarrollo de fisuras. Esto depende fuertemente de la relación resistencia deadherencia vs. deslizamiento, la que es función como se vio de las distintasconfiguraciones de barras y, como se verá, de las diferentes situaciones tanto enrelación a los esfuerzos como a la posición de la barra dentro del hormigón.

A continuación se evalúan otros factores que hacen a la disposición yconstrucción de los elementos de hormigón armado.

5.4 INFLUENCIA DE LA POSICIÓN DE LA BARRA CON RESPECTO A LACOLOCACIÓN DEL HORMIGÓN QUE LAS RODEA.

La relación adherencia vs. deslizamiento para las barras conformadas estáafectada notablemente por el comportamiento del hormigón que se encuentra frentea las nervaduras. A su vez, la calidad del hormigón en esta región depende de suposición relativa al momento de hormigonado. Las diferencias más importantes sonpor un lado si la barra está colocada en forma horizontal o vertical, y por otro ladistancia de la barra al encofrado.

Fig. 5.15. Formación de oquedades o poros debajo de barras horizontales comoconsecuencia del asentamiento y exudación de agua (bleeding).

Debido al asentamiento del hormigón fresco, existe la tendencia deacumularse agua debajo de las barras y de las partículas más gruesas del agregado(bleeding o ganancia de agua). Esa agua es luego reabsorbida por el hormigón yquedan oquedades y poros como se muestra en forma esquemática en la Fig. 5.15.Cuando se necesita el concurso del hormigón en esas zonas y el mismo esdeficiente, se producen deslizamientos.

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La Fig. 5.16 muestra tres casos diferentes de efectos de capas con poros enel hormigón y los efectos en la respuesta en términos de deslizamiento. Loscomportamientos son diferentes aunque se tienda a alcanzar la misma relación decarga última. Se nota claramente la ventaja que tiene la barra en posición vertical.

Fig. 5.16. Influencia de la posición de la barra durante el llenado y de la dirección delos esfuerzos sobre la respuesta de adherencia.

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El efecto de la posición de la barra en el llenado del hormigón es aún mássevero para el caso de barras lisas. La Fig. 5.17 muestra que la resistencia última deadherencia es drásticamente reducida en el caso de barras horizontales conrespecto a las verticales. Las curvas que están por encima en cada parcorresponden a superficies bastante oxidadas.

Fig. 5.17. Relación carga vs. deslizamiento para una barra diámetro 16 mm deacero lisa en distintas posiciones y con distinto grado de oxidación superficial.

Con respecto a la posición de la barra en el encofrado, hay que destacar queen general se espera que las barras horizontales ubicadas en la parte superior van atener desfavorables condiciones de adherencia con respecto a las ubicadas cercadel fondo del encofrado o de la capa de hormigón llenada previamente. Esto esporque el fenómeno de ganancia de agua (exudación) y consecuente porosidadmencionada es mayor en las barras ubicadas en la parte superior.

En tal sentido, el ACI-318-1995 estipula, sección 12.2.4. que para el caso dearmaduras horizontales que estén colocadas de tal forma que se colocan por debajode ella más de 300 mm de hormigón fresco en el elemento para el cual se estádeterminado la longitud de desarrollo, debe aplicarse un factor de amplificación de1.3. Si el elemento está vertical, o con menos de ese espesor de hormigón frescopor debajo el factor es 1.0.

La Fig. 5.18 muestra en forma esquemática cuando una barra debeconsiderarse en posición favorable, I, o desfavorable, II, tomada de ref.[7], aunque eneste caso el umbral lo define un espesor de 250 mm en vez de 300 mm comoestipula el ACI. Si la barra está inclinada entre 45 a 90 grados, se puede considerarcomo ubicada en zona I.

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5.5 INFLUENCIA DEL DIÁMETRO DE LA BARRA Y DE LAS CONDICIONES DELA SUPERFICIE.

La Fig. 5.19 muestra la influencia de las indentaciones de la superficie de labarra, en particular la relación caf r /= a la que antes se hizo referencia. Además, elángulo entre la cara de la nervadura y el eje de la barra, ángulo α en Fig. 5.12, notiene mayor influencia siempre y cuando éste sea mayor de 70o. Si el ángulo esmenor de 40o, por ejemplo, y la superficie es suave, se podría producir eldeslizamiento a lo largo de las caras de las nervaduras, por lo que éstas tenderían aempujar al hormigón fuera del contacto con las barras. Esto puede ser causal dedeslizamiento.

Fig. 5.18. Ejemplos para determinar si las barras de la armadura quedan ubicadasen zonas de adherencia favorable (zona I) o desfavorable (zona II).

Ya se dijo que la oxidación controlada de las barras produce beneficiosadicionales a la adherencia. Por ello, siempre y cuando se cumplan los requisitos

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mínimos de condición y diámetro de las barras, no es necesario limpiar para eliminaresa leve oxidación que sería beneficiosa.

El diámetro de la barra influye poco sobre el valor de la adherencia. Sinembargo, se prefiere el uso de barras de diámetro menor por dos razones: (i) lascondicºvvvvv iones de anclaje y manejo en obra serán más favorables, y (ii) lasección y por ende el esfuerzo que deben transmitir crece cuadráticamente con eldiámetro, (db

2), mientras que el perímetro lo hace linealmente, por lo que serán másefectivas las de menor que las de mayor diámetro.

La Fig. 5.20, ref. [2], muestra la influencia del diámetro de la barra sobre latensión media de adherencia.

Fig. 5.19. Influencia de la superficie nervurada relativa, fr, sobre el valor de cálculo de laresistencia de adherencia relativa, τ1r, para la longitud de anclaje lv = 10 db = 10 de

constante.

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Fig. 5.20. Influencia del diámetro de la barra de = db sobre la tensión media de adherenciarelativa, para ∆= 5x10-3, fr = 0.065, lv=14cm, βw=f´c = 22.5 MPa.