CONSIDERACIÓN DEL CONCRETO FISURADO EN EL DISEÑO DE ANCLAJES POST-INSTALADOS

1. ¿QUÉ ES EL CONCRETO FISURADO?

Joseph Monier, un jardinero francés del siglo XIX, fue el pionero en el desarrollo del concreto reforzado. Más tarde, G. A. Wayss, ingeniero civil alemán y también pionero en la construcción con concreto, hierro y acero, hizo el primer uso comercial del concreto reforzado, contribuyendo al avance del sistema de refuerzo que lleva el nombre de Monier. Lo estableció como una tecnología científica bien desarrollada; el acero absorbe los esfuerzos de tensión y el concreto sólo proporciona resistencia a la compresión. El concreto, por naturaleza, tiene una alta resistencia a la compresión, pero una baja resistencia a la tensión. Cuando se somete a esfuerzos de tensión, es propenso a agrietarse (Fig. 1.1). Por concreto fisurado se entiende que el concreto ha desarrollado fisuras visibles debido a esfuerzos internos o externos, normalmente de al menos 0.1 - 0.3 mm. Estas grietas pueden formarse por cargas estructurales, expansión térmica, contracción, fluencia o factores ambientales.

Debido a la baja propiedad de tensión del concreto, los refuerzos suelen soportar los esfuerzos de tensión del concreto fisurado. El esfuerzo de compresión en la sección del concreto no afectada por las fisuras, permanece relativamente inalterada y sigue un patrón de distribución de esfuerzos aproximadamente lineal (Fig. 1.2). Cuando se forma una fisura, el esfuerzo de tensión en el extremo de la fisura aumenta considerablemente, mientras que el esfuerzo dentro de la sección fisurada desciende casi hasta cero. Entre las fisuras, el concreto todavía experimenta cierto esfuerzo de tensión debido a la adherencia entre el concreto y la armadura, que disminuye gradualmente a medida que aumenta la distancia desde la fisura. Los estándares de diseño más avanzados de concreto reforzado exigen que el detallado del refuerzo garantice que el ancho de fisura resultante de las cargas estáticas y cuasiestáticas máximas permisibles de servicio (es decir, las cargas muertas más una fracción de la carga viva) no superen el valor de 0.3 mm a 0.4 mm. Bajo cargas accidentales, como acciones sísmicas, el ancho de las fisuras puede alcanzar de 0.5 mm a 0.8 mm.

2. ¿POR QUÉ ES IMPORTANTE TENER EN CUENTA EL CONCRETO FISURADO EN EL DISEÑO DE ANCLAJES?

2.1 El efecto de la fisura en el rendimiento del anclaje

Diferentes condiciones de carga en secciones del concreto causan diferentes zonas de tensión y según la colocación de los anclajes, el rendimiento se ve influenciado (Fig. 2.1).

En general, cuando se forman fisuras en un elemento de concreto, es muy probable que intercepten la ubicación del anclaje directa o transversalmente (Fig. 2.2) y que los esfuerzos radiales en el concreto sean divididos en dos por la fisura (Fig. 2.4 a)). Esto ocurre porque alrededor del anclaje existen mayores esfuerzos de tensión como resultado de los esfuerzos circunferenciales asociadas con el pretensado, la carga del anclaje y la concentración de esfuerzos causada por la presencia del orificio de anclaje (efecto muesca) (Fig. 2.3 a)). Además, la probabilidad de que se formen fisuras en la posición del anclaje es alta, debido al debilitamiento de la matriz del concreto causado por la propia fijación (Fig. 2.3 b)).

La Fig. 2.4 b) muestra el comportamiento típico de carga-desplazamiento en el concreto fisurado o no fisurado bajo carga de tensión. En el concreto no fisurado, el desplazamiento es mucho menor que en el concreto fisurado y la capacidad de carga es mayor. Un análisis exhaustivo sobre el comportamiento de los anclajes en concreto fisurado vs. no fisurado ha sido documentado por Eligehausen et al. ([1]).

La influencia cualitativa de la fisura en el concreto sobre la resistencia a la extracción y los desplazamientos de los anclajes post-instalados se muestra en la Tabla 2.1.

2.2 ¿Cómo se evalúa el desempeño de los anclajes en el concreto fisurado?

Los marcos normativos europeos y estadounidenses definen los ensayos que deben realizarse para evaluar el desempeño de los anclajes frente a determinados anchos de fisura. En la tabla 2.2 se muestra un ejemplo de programa de ensayos de EAD 330232 [2] y AC 193 [3] para anclajes mecánicos post-instalados.

Los anchos de fisura utilizados en los ensayos de calificación se basan en estudios sólidos de investigación sobre el ancho de fisura medido en estructuras en los estados límite de servicio y límite último (SLS y ULS), como se muestra en las Fig. 2.5 y Fig. 2.6.

La carga viva puede influir significativamente en la formación de fisuras en el concreto en los puntos de anclaje. La fisura se ensancha y propaga con ciclos de carga repetidos (Fig. 2.7), lo que puede provocar una reducción en la resistencia del anclaje y un aflojamiento gradual o un aumento de la deformación, reduciendo así la fiabilidad de la conexión. Aunque existe una tendencia de los anclajes a deslizarse durante la apertura y el cierre de la fisura, los ensayos de ciclos de fisuración (Fig. 2.8) permiten un desplazamiento máximo del anclaje de 3 mm después de 1000 ciclos de fisuración. Esto corresponde a una vida útil de diseño esperada de 50 años. Los criterios de evaluación modernos exigen un mayor número de ciclos si la conexión está diseñada para una vida útil más larga (por ejemplo, 100 años).

3. ¿QUÉ DICEN LAS NORMAS SOBRE LA CONSIDERACIÓN DEL CONCRETO FISURADO EN EL DISEÑO DE ANCLAJES?

Las normas de diseño, tanto EN 1992-4 [7], cl. 4.5 y 4.7 como ACI 318 [8], cl. 17.10.5.4, recomiendan considerar el concreto fisurado para el diseño de anclajes post-instalados a menos que se demuestre que el concreto permanecerá no fisurado durante toda la vida útil (por ejemplo, miembros en compresión constante bajo cargas permanentes). La norma EN 1992-4 [7] proporciona una guía para considerar concreto no fisurado en el diseño de anclajes mediante la eq. (4.4).

Adicionalmente, según EN 1992-4 cl. 9.2.2 y ACI 318 cl. R17.10.5.4, el diseño de anclajes sísmicos debe realizarse considerando concreto fisurado. Según EN 1992-4 cl. D.1, los anclajes expuestos al fuego también deben tener un ETA para su uso en concreto fisurado. Establecer que el concreto permanecerá no fisurado en todas las condiciones es evidentemente muy complicado, por lo que se recomienda considerar siempre concreto fisurado en el diseño de anclajes post-instalados. Las ecuaciones dadas en EN 1992-4 [7] para el cálculo de la resistencia frente a diferentes modos de falla por cargas de tensión muestran claramente la diferencia en el valor característico para concreto fisurado y no fisurado (Tabla 3.1).

4. ¿CÓMO DISEÑAR ANCLAJES PARA CONCRETO FISURADO?

El software de diseño estructural PROFIS Engineering de Hilti, basado en la nube y fácil de usar, ofrece opciones de diseño tanto para concreto fisurado como no fisurado. En el paso de entrada de datos de diseño, en la pestaña "Material base", se debe seleccionar la opción de concreto fisurado y, en consecuencia, aparecerán los anclajes post-instalados adecuados para los criterios de carga deseados, concreto fisurado y otras condiciones de borde. El usuario puede seleccionar entre las opciones disponibles y llevar a cabo el diseño y ejecutar el análisis para ver el resultado (Fig. 4.1). Para más detalles sobre los métodos de diseño paso a paso en PROFIS Engineering, consulte el manual de Hilti Steel-to-Concrete [9].

5. CONCLUSIÓN

En general, las fisuras en el concreto son esperadas, y la localización probable de las fisuras puede predecirse fácilmente en la zona del anclaje, implicando una reducción en la capacidad de carga o desplazamientos visibles. Recomendamos considerar siempre el concreto como fisurado en el diseño, a menos que se trate de aplicaciones en las que esté claro que el concreto nunca se tensará, como la fijación ligera en elementos de concreto pretensado (lo cual debe comprobarse en todo caso). De lo contrario, deben utilizarse anclajes calificados para su uso en concreto fisurado que ayuden a garantizar la seguridad mediante un diseño adecuado, ya que las soluciones cuyo desempeño no ha sido evaluado bajo esta condición no pueden asegurar una confiabilidad suficiente.

Para empezar a diseñar, visite https://profisengineering.hilti.com/

REFERENCIAS [1] R. Eligehausen, R. Mallee and J. Silva, Anchorage in Concrete Construction, Berlin: Ernst & Sohn GmbH & Co. KG., 2006. [2] EOTA EAD 330232-01-0601: Mechanical fasteners for use in concrete, Brussels: EOTA, 2021. [3] AC 193: ACCEPTANCE CRITERIA FOR MECHANCIAL ANCHORS IN CONCRETE ELEMENTS, ICC Evaluation Service, 2009. [4] K. Bergmeister, Stochastic in fixing technology based on realistic influenced parameters, PhD Thesis, Germany: University of Innsbruck, 1988. [5] P. Schiessl, Crack influence of the durability of reinforced and prestressed concrete components. Schriftenreihe des Deutschen Ausschuss für Stahlbeton, Berlin: Ernst & Sohn GmbH & Co. KG., 1986. [6] R. Eligehausen and A. Bozenhardt, Crack widths as measured in actual structures and conclusions for the testing of fastening elements., Germany: Univeristy of Stuttgart, Institute of Construction Materials, 1989. [7] EN 1992-4:2018: Eurocode 2 - Design of concrete structures - Part 4: Design of fastenings for use in concrete, Brussels: CEN, 2018. [8] ACI 318-19: Building Code Requirements for Structural Concrete, Farmington Hills: American Concrete Institute, 2019. [9] S2C Handbook: Steel to concrete connections using Post-installed systems, Schaan: Hilti Corporation, 2024.