aplicaciones estructurales del hormigÓn...

APLICACIONES ESTRUCTURALES DEL

HORMIGÓN CON FIBRAS EN

EDIFICACIÓN

Ponente: AITOR MATURANA ORELLANA

Título conferencia: EXPERIENCIA PIONERA EN ESPAÑA- EDIFICIO LKS

CARACTERÍSTICAS DEL EDIFICIO PILOTO

DESCRIPCION GENERAL DEL EDIFICIO

SOLUCIÓN ESTRUCTURAL INICIAL

SOLUCIÓN ESTRUCTURAL EN HRFA

COMPARATIVA ECONÓMICA

CÁLCULOS Y COMPROBACIONES ESTRUCTURALES

DIAGRAMAS - Y VALORES DE REFERENCIA DE MATERIALES

CÁLCULOS A NIVEL DE SECCIÓN

ANÁLISIS ESTRUCTURAL EN E.L.S.

CÁLCULO PLÁSTICO DE LOSAS EN E.L.U.

PUNZONAMIENTO

EJECUCIÓN Y MATERIALES

COMPOSICIÓN DEL HORMIGÓN BASE

ELABORACIÓN HRFA Y PUESTA EN OBRA

ENSAYOS Y CONTROL DE EJECUCIÓN

PLAN DE ENSAYOS

ENSAYO DE PROTOTIPOS

PRUEBAS DE CARGA

INDICE

EXPERIENCIA PIONERA EN ESPAÑA- EDIFICIO LKS

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL EDIFICIO SOLUCIÓN ESTRUCTURAL INICIAL SOLUCIÓN ESTRUCTURAL EN HRFA COMPARATIVA ECONÓMICA



DESCRIPCIÓN GENERAL DEL EDIFICIO

El nuevo edificio, sede del grupo LKS, integrado en MCC, está ubicado en el Polo de Innovación de Garaia, Mondragón (Gipuzkoa).

El Proyecto Básico y de Ejecución es redactado por arquitectos de LKS, con fecha julio de 2007.

Superficie construida total: 3.506 m2.

PEC: 6.525.000 € (+IVA). Inicio de las obras: Septiembre 2007. Inauguración: 2009.




• Se trata de un edificio compacto, de 4 plantas, con pequeño cuerpo en cubierta y semisótano de acceso.

• Las plantas se desarrollan en torno a un núcleo central de comunicaciones, instalaciones y servicios. Huecos importantes en forjado

• Planta sótano -1 de 862 m2 y cuatro plantas sobre rasante de 661 m2.

• El cierre del edificio se realiza mediante una doble piel.




• Retícula base estructural máxima de 8 x 8 m.

• Pilares de H.A. rectangulares y circulares.

• Forjados de losa maciza in situ de 30 cm de espesor.

• Apoyo directo de losas en pilares, forma de trabajo multidireccional.

•Estructura metálica en escaleras y fachada de doble piel.



• Estructura de H.A. con armadura pasiva convencional. HA-30, B-500S

• La solución estructural de cimentaciones, pilares y muros de sótano se mantiene, constante en las dos soluciones.

• Forjados de losa maciza in situ de 30 cm de espesor con apoyo directo en pilares, y armadura convencional:

- Armadura Base Inferior Emp. Ф12 c/15 cm

- Armadura Base Superior Emp. Ф12 c/15 cm

- Armadura Refuerzo inferior

- Armadura Refuerzo superior

- ``Crucetas´´ de punzonamiento

- Zunchos de borde

SOLUCIÓN ESTRUCTURAL INICIAL



SOLUCIÓN ESTRUCTURAL INICIAL- ARMADURA CONVENCIONAL EN LOSAS



Preparación, corte, doblado, transporte, manipulación,

colocación y posicionamiento de ferralla

Aumento de los costes y tiempos de ejecución

A. Refuerzo M+

A. Refuerzo M-

Crucetas Punzonamiento

SOLUCIÓN ESTRUCTURAL INICIAL- MEDIONES ACERO CORRUGADO CONVENCIONAL

Armadura (kg) Planta Baja Planta 1ª Planta 2ª Planta 3ª

Planta

Cubierta

Armadura

Base 19.565 kg 14.550 kg 14.550 kg 14.550 kg 14.550 kg

Armadura

Refuerzo

Inferior

1.366 kg 210 kg 210 kg 210 kg 1.125 kg

Armadura

Refuerzo

Superior

3.479 kg 2.075 Kg 2.075 Kg 2.075 Kg 2.733 kg

Zunchos 781 kg 781 kg 781 kg 781 kg 781 kg

Armadura

Punzon. 2.820 kg 2.456 kg 2.456 kg 2.456 kg 2.705 kg

TOTAL 28.040 kg 20.072 kg 20.072 kg 20.072 kg 21.894 kg

CUANTÍA 111 kg/m3 107 kg/m3 107 kg/m3 107 kg/m3 117 kg/m3



Cuantía media en losas de forjado 109 kg/m3

• Utilización de HRFA en las losas de forjado, en sustitución de la armadura pasiva convencional.

• La fibra de acero empleada es la Tabix 1.3/50 de Arcelor-Mittal, de alambre trefilado, con una resistencia a la tracción de 900 N/mm2. Dosificación 100 kg/m3.

• Imposibilidad de ``vibrado´´ durante la ejecución

HRFA AUTOCOMPACTABLE



SOLUCIÓN ESTRUCTURAL EN HRFA



SOLUCIÓN ESTRUCTURAL EN HRFA- ARMADURAS ADICIONALES

A. Refuerzo M+

A. Complementaria zonas singulares

Armadura APC contra colapso progresivo



SOLUCIÓN ESTRUCTURAL EN HRFA- MEDIONES ARMADURAS ADICIONALES

Armadura (Kg) Planta B. Planta 1ª Planta 2ª Planta 3ª Planta C.

Refuerzo M+ 512 kg 1.025 kg 1.025 kg 1025 kg 2.131kg

A. Complem. 2.233 kg 1.930 kg 2.058 kg 1.832 kg 2.674 kg

Armadura APC 3.103 kg 2.627 Kg 2.627 Kg 2.627 Kg 4.378 kg

TOTAL (Con APC) 5.848 kg 5.582 kg 5.710 kg 5.484 kg 9.183 kg

CUANTÍA (Con APC) 23 kg/m3 29 kg/m3 29 kg/m3 29 kg/m3 49 kg/m3

TOTAL (Sin APC) 2.745 kg 2.955 kg 3.083 kg 2.857 kg 4.805 kg

CUANTÍA (Sin APC) 11 kg/m3 16 kg/m3 16 kg/m3 15 kg/m3 26 kg/m3

Cuantía media en losas de forjado con APC 34 kg/m3

Cuantía media en losas de forjado sin APC 17 kg/m3



COMPARATIVA ECONÓMICA

SOLUCIÓN

INICIAL

SOLUCIÓN

HRFA

SOLUCIÓN

HRFA +APC

Cuantía

Armadura 109 kg/m3 17 kg/m3 34 kg/m3

Dosificación

fibras

-----------------

- 100 kg/m3 100 kg/m3

COSTE 510.000 € 428.500 € 449.500 €

AHORRO (%) ------------ 16 % 12 %


CÁLCULOS A NIVEL DE SECCIÓN ANÁLISIS ESTRUCTURAL EN E.L.S. CÁLCULO PLÁSTICO DE LOSAS EN E.L.U. PUNZONAMIENTO






dRdctR ff ,3, 33,0

DIAGRAMA RECTANGULAR (EHE)

DIAGRAMA MULTILINEAL (EHE)

E.L.U. FLEXIÓN LOSAS

(Con mayoración de acciones)

E.L.S. FISURACIÓN Y DEFORMACIÓN

(Sin mayoración de acciones)

Resistencia residual a tracción característica fctR = 2,2 N/mm2

Resistencia a tracción característica fct = 5 N/mm2

Resistencia tangencial característica τf = 1,7 N/mm2

2

, /46,15,1

2,2mmN

ff

c

ctRdctR

2

, /51

5mmN

ff

c

ct

dct

2/13,15,1

7,1mmN

c

f

fd






CÁLCULO A NIVEL DE SECCIÓN- E.L.S.

fct,d

b

h Ms

fct,d

=

=

mkNmh

bhf

y

IM

dct

S /752/

12

3

,

max

max



CÁLCULO A NIVEL DE SECCIÓN- E.L.U.

b

d

x

(h-x)

20/1000

Rc b 0,85 fcd

fctR,d

As fyd

Rt b

0,8x

Mu

xfR cdc 8,085,0 xhfR dctRt ,

ydStc fAbRbRbfbf

fAbhfx

dctRcd

ydSdctR

,

,

8,085,0




Rc b

As fyd

Rt b

Mu

Eje neutro 0,6x

(d-x)

(h-x)/2

xdfAxh

bRxbRM ydStcu2

6,0




SECCIÓN 1

HRFA

SECCIÓN 2

HRFA+ Emp. Ø 8 c/15

SECCIÓN 3

HRFA+ Emp. Ø 10 c/15

x <0,3d 29 mm 38,8 mm 44,28 mm

2< c (‰)<3,5 2,14 3,28 3,46

Mu 60,4 kNm/m 96,7 kNm/m 116,5 kNm/m




mkNmMMM SQCPTOTAL /9,6865,224,4

STOTAL MM

mkNm /759,68




mmFFF SQ

INST

CP

INSTINST 01,798,103,6

P1ª Deformaciones bajo Cargas Permanentes

P1ª Deformaciones bajo Sobrecarga de uso




mmFF INSTTOTAL 72,1401,71,21,2

mmL

FTOTAL 32250

800

25072,14

mmFF CP

INST

PP

INST 32,550,8

50,703,6

00,150,7

50,7mmFFF PP

INSTTOTALACT 4,932,572,14

mmL

mmFACT 20400

8000

4004,9



CÁLCULO PLÁSTICO DE LOSAS EN E.L.U.- MÉTODO DE LAS LINEAS DE ROTURA

• FctR (Plastificación sección), Dosificación de fibras constante NECESIDAD MÉTODO CÁLCULO PLÁSTICO

• Inición de Plastificación PÉRDIDA DE LINEALIDAD EN ANÁLISIS ESTRUCTURAL

• MÉTODO DE LAS LINEAS DE ROTURA (Johanssen) Las losas colapsan mediante MECANISMOS DE ROTURA, formados por Líneas de rotura (Articulaciones 2D con Mp constante)

• La forma de rotura depende de la Condiciones de Contorno. Apoyos puntuales (soportes) existen diferentes Mecanismos de rotura Buscar el de CARGA DE COLAPSO MÍNIMA

MECANISMO 2:



CÁLCULO PLÁSTICO DE LOSAS EN E.L.U.- EJEMPLO PLACA APOYADA SOBRE 6 PILARES



CÁLCULO PLÁSTICO DE LOSAS EN E.L.U.- PLANTA TIPO DEL EDIFICIO

CONFIGURACIÓN DE LÍNEAS DE

ROTURA A

Mecanismo de

rotura parcial

m/q qu

(kN/m2)

Rotura parcial

1/2/3

2,42 24,95

Rotura parcial

4/5/6

2,37 25,47

Rotura parcial

7/8

3,8 15,88

Rotura parcial

9/10

1,27 47,56




CONFIGURACIÓN DE LÍNEAS DE ROTURA B

Mecanismo de

rotura parcial

m/q qu

(kN/m2)

Rotura parcial 1/2 4,09 14,76





CONFIGURACIÓN DE LÍNEAS DE ROTURA C

Mecanismo de

rotura parcial

m/q qu

(kN/m2)




22 /15,14/95,13 mkNqmkNq ud



COMPROBACIÓN DE PUNZONAMIENTO

fdd

sddu

F

COMPROBACIÓN DE PUNZONAMIENTO

Pilar Tipo Fd

(kN)

Dim.

(mm)

U

(mm) sd

(N/mm2)

A1, P.

Tercera

Ø450 mm

Esquina

ß=1,5

473,4 a1=850

b1=850

2548,2 1,02

22

max /13,1/02,1 mmNmmN fdsd

COMPOSICIÓN DEL HORMIGÓN BASE ELABORACIÓN HRFA Y PUESTA EN OBRA





COMPOSICIÓN DEL HORMIGÓN BASE

COMPONENTE DOSIFICACIÓN

Cemento CEM II/BM-VLS 42.5R 400 kg/m³

Agua 185 l/m³

Arena 0÷2 mm 300 kg/m³

Arena 0÷4 mm 750 kg/m³

Grava 6÷12 mm 600 kg/m³

Árido 12÷18 mm 200 kg/m³

Aditivo FOSROC COMPLAST MR285 1 l

Aditivo BASF GLENIUM TC 1323 3,6 l

• Comportamiento isótropo HRFA Sin Vibrado Necesidad de mezcla autocompactable

• Alta Dosificación de fibras y mayor esbeltez Riesgo formación Erizos, bombeo de la mezcla

MAYOR CONTENIDO DE FINOS, Y EMPLEO DE ADITIVOS SUPERFLUIDIFICANTES




• Incorporación de fibras en planta, en la amasadora junto con el árido grueso al principio (evitar Erizos)

• 24 cajas de 25 kg/caja para camión de 6 m3

• Dosificación fibras 100 kg/m3 volumen fibras 1,27% del volumen hormigón (menor de 1,5 %)

• Longitud de fibras= 2,77(2,5-3) x tamaño máximo árido




PLANTA FECHA DE

HORMIGONADO

Baja

Zona de

parking 13-11-2007

Resto de

planta 15-11-2007

Primera 22-11-2007

Segunda 28-11-2007

Tercera 4-12-2007

Cubierta 18-12-2007

RITMO DE EJECUCIÓN= 1 Planta/semana

• Evitar INTERRUPCIONES DE HORMIGONADO DISCONTINUIDADES DE LAS FIBRAS

• LEVE VIBRADO EN ZONAS DE ARMADURA

• Ф Tubería de bombeo 125 mm



Retícula de 8x8 =64 m2 sin

armaduradas convencionales

PLAN DE ENSAYOS ENSAYO DE PROTOTIPOS PRUEBAS DE CARGA





PLAN DE ENSAYOS

PLAN DE ENSAYOS (*)

Grupo Tipo de Ensayo Nº ensayos

Ensayos de

Probetas

Normalizadas

Resistencia a primera fisura según

[UNE 83510, 2004] [UNE 83509, 2004]

24

“Ensayo Barcelona” según [UNE 83515, 2007] 10

Resistencia a cortante según [UNE 83511, 2005] 18

Ensayos de

Prototipos

Ensayo de losetas circulares de HRFA sin mallazo 16

Ensayo de losetas circulares de HRFA con mallazo 3

Pruebas de

Carga

Pruebas in situ sobre losas de forjado con cargas en

servicio

2

(*) Ensayos adicionales a los de compresión simple, consistencia y contenido en fibras



PLAN DE ENSAYOS

• Probetas normalizadas y prototipos elaborados en obra • Curado a la intemperie • Simultáneamente a la ejecución del edificio piloto • Idéntico HRFA que el empleado en las las losas • Mismos procedimientos de ejecución

CONTROL DE EJECUCIÓN DE LA ESTRUCTURA




Losetas sin mallazo (16)

Losetas con Emp. Ф8 c/15 (3)

ÚTILES DE ENSAYO

Pórtico de Reacción: de 2,40m de anchura libre interior y 5 m de altura, dotado de un actuador vertical dinámico de doble efecto y 500 kN de carga máxima.

Bancadas de Apoyo: acero laminado concebidas para el ensayo.

Las losetas de HRFA apoyan durante el ensayo sobre un anillo continuo y circunferencial con una luz libre diametral de 2000mm.

Actuador de 500 kN: dispone internamente de un LVDT, y de una célula de carga.

Transductores de desplazamiento: tipo LVDT de 100 mm de recorrido, dispuesto en diferentes puntos según cada ensayo.

Los ensayos se realizaron en el “Taller de Grandes Estructuras” de la Escuela Politécnica Superior de Burgos.







Colocación de galgas extensométricas a 120º

OBJETIVO: Determinar INICIO FISURACIÓN

Resistencia a tracción fct




OBSERVACIONES

• Acoplamiento inicial antes del tramo lineal

• Mayor nº L.R. Principales ↑Pmax

• Colapso de losetas con mallazo más homogéneo

• Dificultad en la medición de la Carga de 1ª fisura (despegue galgas, acoplamiento inicial, burlado)

• Rotura de prototipos: plástica, progresiva y sin fragilidad, existiendo una carga remanente coincidiendo con Δ de 40 mm



ENSAYO DE PROTOTIPOS- RELACIÓN ENTRE PMAX Y RESISTENCIA RESIDUAL ATRACCIÓN FctR

R

2a

Pmax

qpp

245,0 h

Mf uctR

2425,0

83,0

h

hfAMf

ydsu

ctRCon Mallazo

Sin Mallazo

R

aPRqM

pp

u3

21

26

max

2

VALORES DE RESISTENCIA A TRACCIÓN RESIDUAL(fctR)

Prototipo Pmax

(kN)

Mu

(kNm/m)

fctR,exp

(N/mm2)

V. Mínimo 195,59 29,89 1,66 (*) 75 % 114 %

V. Medio 250,24 38,00 2,11 (*) 96 % 145 %

%exp,

ctR

ctR

f

f %,

exp,

dctR

ctR

f

f

(*) Valor de referencia de los cálculos: fctR= 2,2 N/mm2 y fctR,d= 1,44 N/mm2



ENSAYO DE PROTOTIPOS- RELACIÓN ENTRE Pf Y RESISTENCIA A TRACCIÓN Fct

fPM100

81,37max

2

max6

hb

Mfct

VALORES DE RESISTENCIA A TRACCIÓN ( fct )

Prototipo Pf

(kN)

Mmax

(kNm/m)

fct,exp

(N/mm2)

V. Medio (*) 98,96 37,4161 5,61 (**) 112 %

%exp,

ct

ct

f

f

(*) 11 losetas de las 19 ensayadas proporcionan un valor válido (**) Valor de referencia de los cálculos: fct= 5 N/mm2



PRUEBAS DE CARGA

• 2 PRUEBAS DE CARGA: P.Baja y P. Primera, retícula AB12 de 8x8 m

• Carga total en servicio: 4,08 kN/m2

mediante depósitos de agua

• 4 Escalones de carga de 1,02 kN/m2

• 5 Puntos de control de flecha vertical (base, plomada, cable y reloj comparador)

• Evaluación de Carga- Descarga



PRUEBAS DE CARGA-SIMULACIÓN NUMÉRICA DE PRUEBAS DE CARGA

FLECHAS TEÓRICAS DE REFERENCIA

Prueba de

carga

FREF,3

(mm)

FREF,5

(mm)

P. Primera 1,52 2,72



PRUEBAS DE CARGA- MEDICIONES EXPERIMENTALES

Punto de control 3

0,21

0,721,05

1,59

1,141,35

0,11

1,47

0

0,5

1

1,5

2

0 1 2 3 4

Escalón de carga

Desp

lazam

ien

to (

mm

)

Fase de Carga Fase de Descarga

Punto de control 5

0,45

1,271,73

2,8

1,95

2,45

0,01

2,6

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4

Escalón de carga

Desp

lazam

ien

to (

mm

)

Fase de Carga Fase de Descarga

COMPARACIÓN DE FLECHAS TEÓRICAS Y EXPERIMENTALES

Prueba de

carga

Punto de

control

FEXP

(mm)

FREF

(mm)

Dif

(%)

V.M. Dif

(%)

P. Primera 3 1,59 1,52 +4,6 %

3,75 % 5 2,80 2,72 +2.9 %

• Medición de la flecha máxima: 40 h después de aplicación de la carga máxima • Medición de flecha residual: 30 h después de la retirada total de la carga • Precisión del conjunto de útiles de medida: 0,2 mm



PRUEBAS DE CARGA- CONCLUSIONES

• Coincidencia de flechas teóricas y experimentales, diferencias del orden de precisión de

aparato de medida

• Sin pérdida de rigidez sin fisuración

• Fase de carga evolución de flechas lineal, Fase descarga más errática

• Flecha residual prácticamente nula

Para cargas en servicio las losas no presentan fisuración, su

deformación instantánea se corresponde con un material de

carácter elástico, lineal, y con capacidad de recuperación.

APLICACIONES ESTRUCTURALES DEL

HORMIGÓN CON FIBRAS EN

EDIFICACIÓN

Ponente: AITOR MATURANA ORELLANA

Título conferencia: EXPERIENCIA PIONERA EN ESPAÑA- EDIFICIO LKS

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