Hormigón liviano autocompactado de alta resistencia reforzado con fibras de acero. Análisis como material de refuerzos en vigas

Autores
Palacio, Alberto José
Año de publicación
2026
Idioma
español castellano
Tipo de recurso
tesis doctoral
Estado
versión aceptada
Colaborador/a o director/a de tesis
Raggiotti, Bárbara Belén
Rougier, Viviana
Descripción
El refuerzo y la reparación de estructuras han cobrado cada vez mayor relevancia en la industria de la construcción. Entre las tipologías más utilizadas se encuentran las estructuras de hormigón armado, las cuales, en determinadas condiciones, pueden requerir intervenciones para su reparación o fortalecimiento. En los últimos años, los materiales compuestos como los polímeros reforzados con fibras (PFR) y mezclas cementicias reforzadas con fibras han experimentado un notable desarrollo, impulsado principalmente por la necesidad de crear elementos estructurales más livianos y con alta capacidad resistente. Si bien su aplicación en la ingeniería civil y la construcción es relativamente reciente, su uso se expande rápidamente gracias a sus excelentes propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión, bajo peso y versatilidad tanto en el diseño de nuevas tipologías estructurales como en la reparación de estructuras existentes. Sin embargo, existen algunas desventajas importantes en el uso de PRF tales como el costo del “pegamento” epoxi, la imposibilidad de colocación en superficies húmedas y/o a bajas temperaturas y la falta de permeabilidad que puede ser dañina para la estructura de hormigón. El hormigón liviano autocompactante de alta resistencia reforzado con fibra de acero (HLAARFA) se ha utilizado recientemente como refuerzo en vigas de hormigón armado (HA) debido a sus mejores propiedades mecánicas y durabilidad. El HLAARFA es un material compuesto por agregados livianos, mortero cementicio de alta performance más la adición de fibras de acero cortas. Esta composición le brinda una baja densidad acompañada de un comportamiento en tracción mejorado mientras que en compresión se comporta de manera similar al hormigón convencional. Entre las mejoras en tracción se destaca el aumento de la tenacidad, de la capacidad para soportar cargas en estado fisurado, ductilidad, fisuración más extendida, pero de menor tamaño y capacidad para mantener la integridad. Sin embargo, los principales parámetros que afectan el comportamiento de flexión de las vigas de HA reforzadas con una capa de HLAARFA necesitan más estudio. Con el objetivo de evaluar la eficiencia de este material, en esta tesis se investiga experimental y numéricamente los principales parámetros que controlan la eficacia del refuerzo de vigas de HA con una capa adicional de HLAARFA aplicada a la superficie de tracción. Vigas de HA no reforzadas y vigas de HA reforzadas se ensayaron experimentalmente bajo una prueba de carga a flexión de cuatro puntos. El trabajo experimental abarca el desarrollo de un método racional de diseño y evaluación de un HLAARFA empleando materiales locales. La fabricación y ensayo de las vigas de hormigón armado con una cuantía de armadura convencional con el fin de lograr la falla por flexión. El refuerzo se materializa aplicando la mezcla de HLAARFA en forma de encamisado en el fondo y los laterales de las vigas. Se utilizan tres tipos de disposiciones de refuerzo uno de 40 mm sobre la cara inferior, un refuerzo de 50 mm, también aplicado en la cara sometida a tracción, y un refuerzo aplicado en forma de U en una capa de 30 mm. En la simulación numérica se adoptó un enfoque basado en la mecánica del continuo. Para representar el comportamiento no lineal del hormigón convencional y del hormigón convencional y el hormigón liviano autocompactante se adoptó un modelo de daño y plasticidad acoplados disponible en software ABAQUS (Abaqus, 2017) (Concrete Damage Plasticity). El modelo considera los fenómenos más importantes del hormigón tanto en tracción como en compresión y fue creado para estudiar los efectos de daños irreversibles asociados a los mecanismos de fallos en dicho material. En el caso del HLAARFA la contribución de las fibras fue tenida en cuenta a través de una nube de fibras discretas distribuidas aleatoriamente en la matriz de hormigón, generadas mediante un algoritmo desarrollado por (Ferrado et al., 2023) e incorporado al software ABAQUS. Finalmente, para representar el comportamiento de las fibras se adoptó un modelo constitutivo que considera el mecanismo de arrancamiento fibra–matriz. El estudio experimental permitió concluir que fue posible desarrollar un método de dosificación racional de HLAARFA que permite calcular cuantitativamente el contenido de materiales de manera simple. A su vez, la aplicación de este hormigón como refuerzo para mejorar la resistencia a flexión de las vigas reforzadas de hormigón armado es una técnica eficaz para mejorar las capacidades de elementos existentes. Esta mejora de la resistencia es directamente proporcional al espesor de las capas de refuerzo cuando se aplican en patrones similares. A su vez se incrementa si se emplea una configuración de refuerzo del tipo encamisado, el cual permitió que la capacidad a flexión última se incremente en un 40 % y la carga de fisuración se incremente considerablemente. A su vez, la deflexión y la deformación se controlan eficazmente, logrando patrones de fisuración más extensos y con menor apertura de fisura. Por su parte, la comparación de los resultados numéricos con los experimentales mostró la capacidad del modelo de elementos finitos no lineal para predecir el comportamiento mecánico de las vigas ensayadas. Se observó una buena aproximación a los resultados experimentales en cuanto a la rigidez inicial, carga máxima y modos de falla de los especímenes evaluados.
Fil: Palacio, Alberto José. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Córdoba. Ingeniería Civil. Grupo de Investigación en Ingeniería, Materiales y Ambiente; Argentina.
Materia
Hormigón liviano autocompactante
Fibras de acero
Alta resistencia
Dosificación
Resistencia a la flexión
Refuerzo de vigas de hormigón armado
Nivel de accesibilidad
acceso abierto
Condiciones de uso
Attribution-ShareAlike 2.5 Argentina
Repositorio
Repositorio Institucional Abierto (UTN)
Institución
Universidad Tecnológica Nacional
OAI Identificador
oai:ria.utn.edu.ar:20.500.12272/15318

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Si bien su aplicación en la ingeniería civil y la construcción es relativamente reciente, su uso se expande rápidamente gracias a sus excelentes propiedades mecánicas, resistencia a la corrosión, bajo peso y versatilidad tanto en el diseño de nuevas tipologías estructurales como en la reparación de estructuras existentes. Sin embargo, existen algunas desventajas importantes en el uso de PRF tales como el costo del “pegamento” epoxi, la imposibilidad de colocación en superficies húmedas y/o a bajas temperaturas y la falta de permeabilidad que puede ser dañina para la estructura de hormigón. El hormigón liviano autocompactante de alta resistencia reforzado con fibra de acero (HLAARFA) se ha utilizado recientemente como refuerzo en vigas de hormigón armado (HA) debido a sus mejores propiedades mecánicas y durabilidad. El HLAARFA es un material compuesto por agregados livianos, mortero cementicio de alta performance más la adición de fibras de acero cortas. Esta composición le brinda una baja densidad acompañada de un comportamiento en tracción mejorado mientras que en compresión se comporta de manera similar al hormigón convencional. Entre las mejoras en tracción se destaca el aumento de la tenacidad, de la capacidad para soportar cargas en estado fisurado, ductilidad, fisuración más extendida, pero de menor tamaño y capacidad para mantener la integridad. Sin embargo, los principales parámetros que afectan el comportamiento de flexión de las vigas de HA reforzadas con una capa de HLAARFA necesitan más estudio. Con el objetivo de evaluar la eficiencia de este material, en esta tesis se investiga experimental y numéricamente los principales parámetros que controlan la eficacia del refuerzo de vigas de HA con una capa adicional de HLAARFA aplicada a la superficie de tracción. Vigas de HA no reforzadas y vigas de HA reforzadas se ensayaron experimentalmente bajo una prueba de carga a flexión de cuatro puntos. 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A su vez, la aplicación de este hormigón como refuerzo para mejorar la resistencia a flexión de las vigas reforzadas de hormigón armado es una técnica eficaz para mejorar las capacidades de elementos existentes. Esta mejora de la resistencia es directamente proporcional al espesor de las capas de refuerzo cuando se aplican en patrones similares. A su vez se incrementa si se emplea una configuración de refuerzo del tipo encamisado, el cual permitió que la capacidad a flexión última se incremente en un 40 % y la carga de fisuración se incremente considerablemente. A su vez, la deflexión y la deformación se controlan eficazmente, logrando patrones de fisuración más extensos y con menor apertura de fisura. Por su parte, la comparación de los resultados numéricos con los experimentales mostró la capacidad del modelo de elementos finitos no lineal para predecir el comportamiento mecánico de las vigas ensayadas. Se observó una buena aproximación a los resultados experimentales en cuanto a la rigidez inicial, carga máxima y modos de falla de los especímenes evaluados.Fil: Palacio, Alberto José. Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Córdoba. Ingeniería Civil. 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Sin embargo, existen algunas desventajas importantes en el uso de PRF tales como el costo del “pegamento” epoxi, la imposibilidad de colocación en superficies húmedas y/o a bajas temperaturas y la falta de permeabilidad que puede ser dañina para la estructura de hormigón. El hormigón liviano autocompactante de alta resistencia reforzado con fibra de acero (HLAARFA) se ha utilizado recientemente como refuerzo en vigas de hormigón armado (HA) debido a sus mejores propiedades mecánicas y durabilidad. El HLAARFA es un material compuesto por agregados livianos, mortero cementicio de alta performance más la adición de fibras de acero cortas. Esta composición le brinda una baja densidad acompañada de un comportamiento en tracción mejorado mientras que en compresión se comporta de manera similar al hormigón convencional. Entre las mejoras en tracción se destaca el aumento de la tenacidad, de la capacidad para soportar cargas en estado fisurado, ductilidad, fisuración más extendida, pero de menor tamaño y capacidad para mantener la integridad. Sin embargo, los principales parámetros que afectan el comportamiento de flexión de las vigas de HA reforzadas con una capa de HLAARFA necesitan más estudio. Con el objetivo de evaluar la eficiencia de este material, en esta tesis se investiga experimental y numéricamente los principales parámetros que controlan la eficacia del refuerzo de vigas de HA con una capa adicional de HLAARFA aplicada a la superficie de tracción. Vigas de HA no reforzadas y vigas de HA reforzadas se ensayaron experimentalmente bajo una prueba de carga a flexión de cuatro puntos. El trabajo experimental abarca el desarrollo de un método racional de diseño y evaluación de un HLAARFA empleando materiales locales. La fabricación y ensayo de las vigas de hormigón armado con una cuantía de armadura convencional con el fin de lograr la falla por flexión. El refuerzo se materializa aplicando la mezcla de HLAARFA en forma de encamisado en el fondo y los laterales de las vigas. Se utilizan tres tipos de disposiciones de refuerzo uno de 40 mm sobre la cara inferior, un refuerzo de 50 mm, también aplicado en la cara sometida a tracción, y un refuerzo aplicado en forma de U en una capa de 30 mm. En la simulación numérica se adoptó un enfoque basado en la mecánica del continuo. Para representar el comportamiento no lineal del hormigón convencional y del hormigón convencional y el hormigón liviano autocompactante se adoptó un modelo de daño y plasticidad acoplados disponible en software ABAQUS (Abaqus, 2017) (Concrete Damage Plasticity). El modelo considera los fenómenos más importantes del hormigón tanto en tracción como en compresión y fue creado para estudiar los efectos de daños irreversibles asociados a los mecanismos de fallos en dicho material. En el caso del HLAARFA la contribución de las fibras fue tenida en cuenta a través de una nube de fibras discretas distribuidas aleatoriamente en la matriz de hormigón, generadas mediante un algoritmo desarrollado por (Ferrado et al., 2023) e incorporado al software ABAQUS. Finalmente, para representar el comportamiento de las fibras se adoptó un modelo constitutivo que considera el mecanismo de arrancamiento fibra–matriz. El estudio experimental permitió concluir que fue posible desarrollar un método de dosificación racional de HLAARFA que permite calcular cuantitativamente el contenido de materiales de manera simple. A su vez, la aplicación de este hormigón como refuerzo para mejorar la resistencia a flexión de las vigas reforzadas de hormigón armado es una técnica eficaz para mejorar las capacidades de elementos existentes. Esta mejora de la resistencia es directamente proporcional al espesor de las capas de refuerzo cuando se aplican en patrones similares. A su vez se incrementa si se emplea una configuración de refuerzo del tipo encamisado, el cual permitió que la capacidad a flexión última se incremente en un 40 % y la carga de fisuración se incremente considerablemente. A su vez, la deflexión y la deformación se controlan eficazmente, logrando patrones de fisuración más extensos y con menor apertura de fisura. Por su parte, la comparación de los resultados numéricos con los experimentales mostró la capacidad del modelo de elementos finitos no lineal para predecir el comportamiento mecánico de las vigas ensayadas. Se observó una buena aproximación a los resultados experimentales en cuanto a la rigidez inicial, carga máxima y modos de falla de los especímenes evaluados.
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Sin embargo, existen algunas desventajas importantes en el uso de PRF tales como el costo del “pegamento” epoxi, la imposibilidad de colocación en superficies húmedas y/o a bajas temperaturas y la falta de permeabilidad que puede ser dañina para la estructura de hormigón. El hormigón liviano autocompactante de alta resistencia reforzado con fibra de acero (HLAARFA) se ha utilizado recientemente como refuerzo en vigas de hormigón armado (HA) debido a sus mejores propiedades mecánicas y durabilidad. El HLAARFA es un material compuesto por agregados livianos, mortero cementicio de alta performance más la adición de fibras de acero cortas. Esta composición le brinda una baja densidad acompañada de un comportamiento en tracción mejorado mientras que en compresión se comporta de manera similar al hormigón convencional. Entre las mejoras en tracción se destaca el aumento de la tenacidad, de la capacidad para soportar cargas en estado fisurado, ductilidad, fisuración más extendida, pero de menor tamaño y capacidad para mantener la integridad. Sin embargo, los principales parámetros que afectan el comportamiento de flexión de las vigas de HA reforzadas con una capa de HLAARFA necesitan más estudio. Con el objetivo de evaluar la eficiencia de este material, en esta tesis se investiga experimental y numéricamente los principales parámetros que controlan la eficacia del refuerzo de vigas de HA con una capa adicional de HLAARFA aplicada a la superficie de tracción. Vigas de HA no reforzadas y vigas de HA reforzadas se ensayaron experimentalmente bajo una prueba de carga a flexión de cuatro puntos. El trabajo experimental abarca el desarrollo de un método racional de diseño y evaluación de un HLAARFA empleando materiales locales. La fabricación y ensayo de las vigas de hormigón armado con una cuantía de armadura convencional con el fin de lograr la falla por flexión. El refuerzo se materializa aplicando la mezcla de HLAARFA en forma de encamisado en el fondo y los laterales de las vigas. Se utilizan tres tipos de disposiciones de refuerzo uno de 40 mm sobre la cara inferior, un refuerzo de 50 mm, también aplicado en la cara sometida a tracción, y un refuerzo aplicado en forma de U en una capa de 30 mm. En la simulación numérica se adoptó un enfoque basado en la mecánica del continuo. Para representar el comportamiento no lineal del hormigón convencional y del hormigón convencional y el hormigón liviano autocompactante se adoptó un modelo de daño y plasticidad acoplados disponible en software ABAQUS (Abaqus, 2017) (Concrete Damage Plasticity). El modelo considera los fenómenos más importantes del hormigón tanto en tracción como en compresión y fue creado para estudiar los efectos de daños irreversibles asociados a los mecanismos de fallos en dicho material. En el caso del HLAARFA la contribución de las fibras fue tenida en cuenta a través de una nube de fibras discretas distribuidas aleatoriamente en la matriz de hormigón, generadas mediante un algoritmo desarrollado por (Ferrado et al., 2023) e incorporado al software ABAQUS. Finalmente, para representar el comportamiento de las fibras se adoptó un modelo constitutivo que considera el mecanismo de arrancamiento fibra–matriz. El estudio experimental permitió concluir que fue posible desarrollar un método de dosificación racional de HLAARFA que permite calcular cuantitativamente el contenido de materiales de manera simple. A su vez, la aplicación de este hormigón como refuerzo para mejorar la resistencia a flexión de las vigas reforzadas de hormigón armado es una técnica eficaz para mejorar las capacidades de elementos existentes. Esta mejora de la resistencia es directamente proporcional al espesor de las capas de refuerzo cuando se aplican en patrones similares. A su vez se incrementa si se emplea una configuración de refuerzo del tipo encamisado, el cual permitió que la capacidad a flexión última se incremente en un 40 % y la carga de fisuración se incremente considerablemente. A su vez, la deflexión y la deformación se controlan eficazmente, logrando patrones de fisuración más extensos y con menor apertura de fisura. Por su parte, la comparación de los resultados numéricos con los experimentales mostró la capacidad del modelo de elementos finitos no lineal para predecir el comportamiento mecánico de las vigas ensayadas. 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