CÓMO ESPECIFICAR FIBRAS DE ACERO COMO REFUERZO DE CONCRETO LANZADO EN TÚNELES

IMCYC

Las propiedades estructurales y de calidad del Concreto Lanzado Reforzado con Fibras (CLRF) en el Estado Limite de Servicio (ELS) y hasta el Estado Limite Ultimo (ELU), conocido como el desempeño posterior al primer agrietamiento, y el índice de absorción de energía pueden ser determinadas mediante dos métodos prueba y validación del comportamiento reconocidos internacionalmente.

Pruebas de viga

Se utilizaban generalmente para obtener únicamente los llamados “índices de tenacidad”, los cuales indican el porcentaje de la carga máxima a la que fue sometida el espécimen después de una deflexión de 3.5 milímetros, pero ahora tenemos normas para este tipo de pruebas que nos brindan mayores datos para determinar la fuerza flexional residual a una deflexión determinada o una resistencia a la flexión equivalente sobre un rango de deflexión.

Actualmente, las normas más comúnmente utilizadas por la calidad y tipo de resultados son: EN-14651* (figura A), EN-14488-1, EN-14488-3, EN-14488-5; también hay que mencionar la ASTM C 1609 y la norma Japonesa JSCE SF4,  que son usadas cada vez menos debido a la falta de datos que brindan y a la alta dispersión en los resultados.

Ahora bien, las mediciones y validaciones de una fibra se deben efectuar verificando los valores fR1a 0.5 mm y hasta fR3 a 2.5 mm de abertura de la boca de la fisura (Crack Mouth Opening Displacement “CMOD”) de la viga para obtener los ELS y ELU.

Estos métodos de prueba son, en la actualidad, menos difíciles de repetir y nos brindan los valores de ingeniería requeridos por el Model Code 2010 de la FIB y/o la Rilem en sus métodos de diseño de estructuras reforzadas con fibras de acero. Estas pruebas, principalmente la EN-14651* tal y como se mencionó en el párrafo anterior, nos brindan valores de ingeniería que fácilmente pueden ser utilizados dentro de los parámetros de diseño de los concretos lanzados reforzados con fibras.

Es de gran importancia saber que deberán de respetarse las siguientes desigualdades para poder aceptar una fibra como refuerzo del concreto, en especial del concreto lanzado. Las desigualdades son:

ƒR1k / ƒLk > 0.4, y posteriormente, cuando haya cumplido  con esta desigualdad, deberá hacer lo mismo con ƒR3k / ƒR1k > 0.5.

Prueba de panel cuadrado

Para determinar el comportamiento del CLRF (índice de absorción de energía) la prueba de paneles cuadrados EN14488-5 (antes EFNARC, desarrollada por Legrand en 1984) es la que consiste de obtener de paneles de 600 mm x 600 mm con 100 mm de espesor. Estos paneles se soportan continuamente y de forma perimetral para aplicar una carga al centro a través de una placa de 100 mm x 100 mm. Con esta prueba se mide la carga al centro del panel vs la deflexión del mismo, para después calcular la energía absorbida en Jules a una deflexión de 25 mm. (figura B)

Figura B

Ejemplo de curva Esfuerzo-Deformación (incluyendo la absorción de energía), obtenidas de ensayo en panel EN 14488-5 con fibras de acero [Fuente: Guía Chilena del Hormigón Proyectado- Shotcrete, Capítulo 11: Métodos de Ensayo, 2015].

El mecanismo de falla del panel es representativo del comportamiento del sistema del revestimiento (CLRF mas sistemas de anclaje) y es una prueba más fácil de efectuar que las de viga; sin embargo, las pruebas de panel siempre se recomiendan para verificar consistentemente la calidad del concreto lanzado, pero nunca servirá como elemento para diseño o de validación de una fibra como refuerzo en sustitución del acero tradicional.

Diseño

El diseño del soporte del macizo rocoso mediante concreto lanzado para excavaciones subterráneas es generalmente impreciso y empírico. Existe una compleja interacción entre la masa rocosa fallando alrededor de una abertura subterránea y la capa de concreto lanzado con diferentes espesores estrechamente vinculada a la roca y sus propiedades cambiantes, hecho que determina que, al endurecer, se desafíen casi todos los intentos de análisis teórico y/o matemático.

Es importante reconocer que el concreto lanzado rara vez se utiliza sin refuerzo, y su uso combinado con pernos, anclas y otros tipos de refuerzo en el macizo rocoso complica aún más el análisis de su contribución al soporte. Las metodologías y teorías actuales sobre el diseño de soporte mediante concreto lanzado se basan ampliamente en métodos prácticos y unaexperiencia previa. Grimstad y Barton (1993) publicaron una gráfica actualizada que relaciona diferentes sistemas de soporte en los que se incluye el concreto lanzado y el concreto lanzado reforzado con fibras Deacero. (figura C).

Es pertinente señalar lo que se establece en el ACI-560 (Design Considerations, Chapter 8, Comparable Moment Capacity, par. 8.3). La comparación se hace entre la capacidad de “carga” de las capas del concreto lanzado, basado en la equivalencia de los momentos a flexión. Los momentos a flexión sólo tienen que ser considerados como la estructura total y se estabiliza mediante pernos en la roca y, si es necesario, por marcos de acero adicionales.

Así las cosas, la capa de concreto lanzado actúa como un elemento de redistribución de esfuerzos y soporte con la ayuda de pernos y arcos. Para evaluar el desempeño del diseño original tenemos que comprobar las propiedades mecánicas en flexo-tracción y, posteriormente, proponer una estructura equivalente para lo cual se utilizarán las fibras Deacero como refuerzo para el concreto.

Concreto lanzado reforzado con fibras deacero

Las fibras Deacero se adicionan a la mezcla del concreto lanzado para dar una mejor capacidad de redistribución de esfuerzos, o absorción de energía, y menores deformaciones cuando así se requiere. Además, se logra incrementar la resistencia al impacto y proveer de ductilidad acorde a la aplicación y necesidades de proyecto.

Esta última propiedad es la habilidad que tendrá el concreto lanzado de continuar resistiendo cargas en el tiempo después de que su matriz se ha fisurado; en este sentido, las fibras sintéticas sufren “creep”, por lo que no deberán de ser utilizadas en obras de infraestructura. Es evidente que las tres propiedades anteriores son de gran importancia para los sistemas de soporte diseñados para las condiciones especiales a que están sometidas las excavaciones en minas, túneles (civiles y mineros) y lumbreras.

La longitud de la fibra debe de ser por lo menos dos veces el tamaño máximo del agregado, sin exceder bajo ningún motivo dos terceras partes el diámetro de la boquilla de la lanzadora; esto, con el fin de evitar “tapones” en la boquilla y ligar el espacio cementante entre uno y otro además de proveer la suficiente adherencia de las fibras Deacero a la matriz de concreto.

Entre menor sea el diámetro de la fibra Deacero, el número de fibras por unidad de peso se incrementa y la longitud de la red de fibras se incrementa haciendo que el espaciamiento entre fibras se reduzca, por lo que el reforzamiento se hace más eficiente al tener una red para la redistribución de esfuerzos más densa.

Recuerde, siempre se debe buscar tener una longitud de refuerzo por metro cúbico no menor a 10,000 ml de fibras Deacero para garantizar un adecuado traslape entre ellas, según las fórmulas de D. C. Mc Kee.

De acuerdo a la Norma Europea EN 14487-1, la(s) distancia(s) media entre las fibras de acero debería ser menor de 0.45 lf, con el fin de asegurar el traslape mínimo entre las fibras.

El valor de un traslape mínimo entre las fibras podría estimarse como:

Donde:

  • lt es la longitud de la fibra.
  • dt es el diámetro equivalente de la fibra.
  • pt es el porcentaje de la fibra.

s = debe ser menor de 0.45 lt para asegurar un traslape mínimo.

La fórmula y los límites de “s” se han tomado de la tesis de D. C. Mc Kee, Universidad de Illinois, Urbana, 1969: “Las propiedades de un mortero expansivo reforzado con fibras de alambre aleatorias”.

Por otra parte, hay que señalar que los esfuerzos de tensión inducidos al concreto lanzado son transferidos a las fibras de acero mediante el vínculo físico entre ambos materiales; sin embargo, la adherencia se puede mejorar notoriamente mediante los anclajes mecánicos que proveen las diferentes formas de las fibras, las cuales se recomiendan tengan los extremos doblados o aplanados (aunque existen las de forma ondulada). En todos los casos es importante que la resistencia a tensión de la fibra sea como mínimo de 12,500 kg/cm2.

Ahora bien, para que se logre una eficiente transferencia de cargas se requiere que las fibras Deacero tengan una alta resistencia a la tensión para evitar que éstas se rompan, tal y como se cita en el párrafo anterior. La alta capacidad de resistencia de cargas de las fibras de acero, una vez fracturada la matriz de concreto, garantizará el grado de ductilidad y la seguridad dentro del túnel.

El uso de recubrimientos finales de larga vida construidos con concretos lanzados o colados en sitio, reforzados con fibras Deacero,  ya es posible debido a que se han desarrollado varias propuestas de sustitución del acero tradicional por fibras Deacero en obras subterráneas.

Cada fibra de acero, dependiendo de su forma y tamaño, tendrá un efecto diferente en el comportamiento y calidad del concreto lanzado. La dosificación requerida de fibras de acero para cumplir con los requerimientos estructurales y de diseño está necesariamente relacionada con su desempeño, y debe estar regido en función de los valores fR1 a fR4 según la norma NMX-C-488-ONNCCE-2014, EN-14889-1 o ISO 13270. De esta forma se podrá poder conocer el desempeño de las fibras en el ELS y el ELU.

Para una misma matriz de concreto, el desempeño estructural y la cantidad de absorción de energía es influenciada significativamente por el tipo de fibra (relación de esbeltez longitud/diámetro) tipo de anclaje y dosificación. Así, entre mejor sea el anclaje y mayor la relación de aspecto y la dosificación, mejor será el desempeño del CLRF.

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