“OPTIMIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL CONCRETO PARA PAVIMENTOS REFORZADO CON FIBRAS DE ACERO WIRAND EN EL DISTRITO DE JOSE LUIS BUSTAMANTE Y RIVERO, AREQUIPA -
2015”
FACULTAD DE ARQUITECTURA E INGENIERÍAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
PROYECTO DE TESIS
“OPTIMIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL CONCRETO PARA PAVIMENTOS REFORZADO
CON FIBRAS DE ACERO WIRAND EN EL DISTRITO DE JOSE LUIS BUSTAMANTE Y RIVERO, AREQUIPA -2015”
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:INGENIERIO CIVIL
PRESENTADO POR:ALCCAMARI CCOLQQUE, FREDY CARLOS
AREQUIPA - PERU2015
ContenidoI. DATOS GENERALES:...........................................................................................................3
1.1. CÓDIGO:.......................................................................................................................3
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1.2. TÍTULO:.........................................................................................................................3
1.3. ÁREA DE INVESTIGACIÓN:............................................................................................3
1.4. AUTOR:.........................................................................................................................3
1.5. ASESOR:........................................................................................................................3
1.6. ENTIDAD Y/O PERSONAS DE COORDINACIÓN:............................................................3
II. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN...........................................................................................3
2.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................................3
2.1.1. Descripción de la Realidad Problemática..........................................................3
2.1.2. Antecedentes Teóricos....................................................................................5
2.1.3. Formulación del Problema................................................................................6
2.1.4. Justificación, Límites y Alcances........................................................................6
2.2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LA INVESTIGACIÓN.......................................................8
2.2.1. Marco Histórico..............................................................................................9
2.2.1.1. Historia del Pavimento de Concreto..............................................................9
2.2.2. Marco Teórico..............................................................................................11
2.2.3. Marco Conceptual........................................................................................15
2.3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN..............................................................................24
2.3.1. Objetivo General...........................................................................................24
2.3.2. Objetivos Específicos.....................................................................................25
2.4. VARIABLES..................................................................................................................25
2.4.1. Variables e Indicadores...................................................................................25
2.4.2. Operacionalización de Variables.....................................................................25
2.5. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE DISEÑO.....................................................................25
2.5.1. Tipo Investigación...........................................................................................25
2.5.2. Diseño específico............................................................................................26
2.6. UNIVERSO Y TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN................................................................26
2.6.1. Universo, población y muestra.......................................................................26
2.6.2. Técnicas:.........................................................................................................26
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III. ADMINISTRACIÓN DEL PROYECTO...................................................................................27
3.1. PROGRAMACIÓN........................................................................................................27
3.2. PRESUPUESTO.............................................................................................................27
UNIVERSIDAD ALAS PERUANASESCUELA PROFESIONAL DE ARQUITECTURA E INGENIERÍA
CIVILPROYECTO DE TESIS
I. DATOS GENERALES:
1.1. CÓDIGO: 2010225828
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1.2. TÍTULO: “OPTIMIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL
CONCRETO PARA PAVIMENTOS REFORZADO CON FIBRAS DE ACERO
WIRAND EN EL DISTRITO DE JOSE LUIS BUSTAMANTE Y RIVERO,
AREQUIPA -2015”
1.3. ÁREA DE INVESTIGACIÓN: Concreto Reforzado
1.4. AUTOR: Alccamari Ccolqque, Fredy Carlos
1.5. ASESOR: Ph.D. RICARDO MIRANDA ORTÍZ.
1.6. ENTIDAD Y/O PERSONAS DE COORDINACIÓN:
II. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
2.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
2.1.1.Descripción de la Realidad Problemática
Durante las últimas décadas se ha producido un gran desarrollo en la industria de
la Construcción, desarrollo que ha alcanzado, no sólo a las técnicas de diseño y
de cálculo, sino también a la tecnología del hormigón y al propio hormigón. Dentro
de estas nuevas Tecnologías se encuentra en un lugar muy destacado el empleo
de fibras con objeto de Reforzar o armar el hormigón. El uso del hormigón
reforzado con fibras está avanzando a una gran velocidad debido al constante
incremento de los costes del acero.
Reforzar el concreto con fibras de acero WIRAND ofrece a los constructores la
posibilidad de eliminar el habilitado y la colocación de mallas o varillas; las fibras
de acero se incorporan directamente al concreto, como si se tratara de un
agregado o un aditivo más. Posee un comportamiento diferenciado con respecto
al hormigón armado, relacionado con la ductilidad en la respuesta y disminución
de los anchos de fisura, lo cual le otorga Importantes prestaciones en aquellos
diseños con exigencias por durabilidad en la vida útil de las estructuras y en el
diseño por capacidad para cargas sísmicas.
Cuando se adicionan a la mezcla de concreto, las fibras WIRAND incrementas
sustancialmente las propiedades mecánicas del producto final de concreto. Las
fibras WIRAND son fabricadas en acero de bajo carbón, y son formadas
especialmente para obtener una resistencia a la tensión del concreto alta.
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Adicionando fibras WIRAND como refuerzo del concreto tiene muchos beneficios,
incluyendo:
• Previenen la falla por ruptura
• Mejora el comportamiento del concreto expuesto a variaciones de temperatura
• Habilidad de absorber energía durante la flexión post-ruptura
• Incrementan la resistencia a la tensión
• Incrementan la resistencia al impacto
• Incrementan la resistencia a la fatiga (Cargas continuas).
Foto 01: Vaciado de un Pavimento Flexible
Fuente: Elaboración propia
2.1.2. Antecedentes Teóricos
La extensión territorial del Perú cuenta con una gran diversidad de climas, tipos de
suelos, zonas ambientales y etnias, su heterogeneidad nos ha ido marcando el
camino del desarrollo y crecimiento, de alguna manera esta diversidad ha influido
en la conformación de nuestra infraestructura carretera.
En el Perú tenemos aproximadamente 95,000 km de caminos pavimentados
cuyas condiciones de servicio no son las óptimas, de hecho la mayoría de ellos
está catalogado por las propias autoridades como pavimentos en regulares y
malas condiciones. Una razón importante del bajo nivel de servicio es debido a
que estas carreteras se proyectaron, diseñaron y construyeron en su mayoría
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entre los años de 1980 a 1999. La red estuvo proyectada para soportar cargas
vehiculares que varían entre las 6 y 8 toneladas y en la actualidad llega a tener
camiones cargados los cuales en algunos casos alcanzan a pesar hasta 60
toneladas. Además de no considerar el aumento en los pesos de los vehículos, no
se consideró tampoco el crecimiento del tránsito de camiones pesados en la red,
ya que se consideró en el diseño el tráfico diario que anteriormente se tenía y que
variaba entre los 500 y 1,000 vehículos, sin embargo en la actualidad se tienen
valores significativamente mayores de hasta 15,000 vehículos. Antes del año de
2000 la especificación y construcción de pavimentos de concreto reforzado en
Perú fue relativamente escasa. Se considera que esto se debió principalmente a
que nuestro país es un productor de petróleo y por consiguiente de asfalto y como
anteriormente existía un subsidio importante en el precio del asfalto, los
pavimentos asfálticos en nuestro país resultaban en costo muy inferiores a los del
concreto. Adicionalmente existía una gran desinformación y desconocimiento
sobre el diseño y construcción con nuevas tecnologías de los pavimentos de
concreto reforzados. Otro factor importante es que cuando se diseñaron las calles
de Arequipa para el tránsito que se pensaba tenían que soportar, los pavimentos
de asfalto parecían ser una alternativa suficiente. Ante la preocupación acerca del
deterioro de las carreteras en la red y considerando los puntos anteriormente
planteados.
2.1.3. Formulación del Problema
2.1.3.1. Pregunta Principal
¿Qué Solución genera las Fibras de Acero WIRAND para optimación de las
propiedades mecánicas del concreto para pavimentos reforzados en el distrito de
José Luis Bustamante y Rivero?
2.1.3.2. Preguntas Secundarias
• ¿Cómo se evalúa la resistencia la flexo-tracción del concreto reforzado con
fibras de acero WIRAND.?
• ¿Cómo se ve la resistencia a la compresión del concreto reforzado con fibras
de acero WIRAND?
• ¿Cómo se determina la trabajabilidad del concreto reforzado con fibras de
acero.
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• ¿Cómo se determina la Abrasión?
• ¿Cómo determina la resistencia a la figuración del concreto reforzado con
fibras de acero WIRAND?
2.1.4.Justificación, Límites y Alcances
2.1.4.1. Justificación
Durante las últimas décadas se ha producido un gran desarrollo en la industria
de la Construcción, desarrollo que ha alcanzado, no sólo a las técnicas de
diseño y de cálculo, sino también a la tecnología del hormigón y al propio
hormigón. Dentro de estas nuevas Tecnologías se encuentra en un lugar muy
destacado el empleo de fibras con objeto de Reforzar o armar el hormigón. El
uso del hormigón reforzado con fibras está avanzando a una gran velocidad
debido al constante incremento de los costes del acero. Ello
Representa un cambio en algunas de las aplicaciones tradicionales de estos
hormigones para avanzar en aplicaciones con una mayor responsabilidad
estructural. Ante esta situación hay que recordar que la vigente Instrucción de
hormigón no considera los hormigones con fibras dentro de su ámbito, por lo que
cabe preguntarse si es viable extrapolar el conocimiento y los métodos de
ensayo del hormigón convencional al hormigón con fibras o, por contra, es
necesario ahondar tanto en el conocimiento teórico como en las técnicas
experimentales. La respuesta englobaría ambas soluciones, es decir, aprovechar
el conocimiento existente y al mismo tiempo seguir investigando, por ejemplo en
las ecuaciones constitutivas del hormigón con fibras. En cuanto a las técnicas
experimentales, se entiende que hay un camino importante por recorrer, tanto en
lo referente al hormigón fresco como en el endurecido. Al reforzar un concreto
con fibras de acero, estas actúan como pequeñas barras de refuerzo,
atravesando las grietas y soportando una carga entera a un mas grande que la
que se necesita para romper una viga. La resistencia mecánica aumenta
dependiendo de la proporción de las fibras agregadas a la mezcla.
Reforzar el concreto con fibras de acero WIRAND ofrece a los constructores la
posibilidad de eliminar el habilitado y la colocación de mallas o varillas; las fibras
de acero se incorporan directamente al concreto, como si se tratara de un
agregado o un aditivo más. Posee un comportamiento diferenciado con respecto
al hormigón armado, relacionado con la ductilidad en la respuesta y disminución
de los anchos de fisura, lo cual le otorga Importantes prestaciones en aquellos
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diseños con exigencias por durabilidad en la vida útil de las estructuras y en el
diseño por capacidad para cargas sísmicas.
Límites.
Se presentarán 2 métodos para la selección de proporciones (dosificación) de
mezclas para concretos preparados con agregados de densidad normal y
adecuada trabajabilidad.
Estos métodos proporcionan una primera aproximación de las proporciones de la
mezcla, con el propósito de ser comprobado, preparando y ensayando mezclas
de prueba en el laboratorio o en obra, debiendo ser ajustado si es necesario
para producir las características del concreto.
Alcances.
Cuando se adicionan a la mezcla de concreto, las fibras WIRAND incrementas
sustancialmente las propiedades mecánicas del producto final de concreto. Las
fibras WIRAND son fabricadas en acero de bajo carbón, y son formadas
especialmente para obtener una resistencia a la tensión del concreto alta.
Adicionando fibras WIRAND® como refuerzo del concreto tiene muchos
beneficios, incluyendo:
• Previenen la falla por ruptura
• Mejora el comportamiento del concreto expuesto a variaciones de temperatura
• Habilidad de absorber energía durante la flexión post-ruptura
• Incrementan la resistencia a la tensión
• Incrementan la resistencia al impacto
• Incrementan la resistencia a la fatiga (Cargas continuas)
2.2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LA INVESTIGACIÓN
2.2.1. Marco Histórico.
2.2.1.1. Historia del Pavimento de Concreto
El uso de los pavimentos rígidos se remonta a más de 100 años. George
Bartholomew, un norteamericano de Ohio, realizó las primeras pruebas en una
faja experimental de 2.44 metros de ancho. Este descubrimiento dio inicio al
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proyecto de obras públicas más grande en la historia de la humanidad: el sistema
de carreteras inter-estatal de los Estados Unidos de Norteamérica, con
aproximadamente 27.500 Km de longitud.
La historia registra a las carreteras americanas que vincularon las áreas agrícolas
con los centros urbanos, como el eslabón vital entre los productos y sus
consumidores, que literalmente pavimentaron la prosperidad de los Estados
Unidos.
En América del Sur, algunos países cuentan con más de 20 años de experiencia
en la construcción de sus redes de carreteras con pavimento rígido. El pavimento
de concreto se introduce en el Perú durante el primer proceso de urbanización de
la ciudad de Lima, período que corresponde a un ciclo de crecimiento económico
por la diversificación de las exportaciones e inversiones directas, especialmente
en minería, y a un proyecto político que pretendía modernizar el país, ampliando
el sistema económico con inversión extranjera.
La tecnología de pavimento de concreto en el Perú coincidió con las primeras
experiencias en Latinoamérica y significó la incorporación, en el diseño y la
construcción, de los conocimientos teóricos y de la experiencia que venía de
obtenerse en los campos de prueba de los EE. UU.
Su expresión más significativa fue la carretera Lima–Callao, denominada Av.
Progreso y posteriormente Av. Venezuela, que continuó en servicio por cerca de
70 años. Esta obra forma parte de un amplio programa de habilitación de tierras
para vivienda, que requería el crecimiento de la población de la capital, que se
incrementó en 68% en la década de 1920, principalmente el sector de la clase
media. El cambio de uso de la tierra favoreció la formación de capitales y el
incremento de la actividad bancaria.
2.2.1.2. Historia de las Fibras
A partir de 1960 se incorporaron las fibras de acero y las de vidrio para fabricar un
concreto consolidado de elementos discontinuos y distribuidos aleatoriamente. Sin
embargo, no fue sino en 1971 cuando en Estados Unidos se hicieron los primeros
estudios e investigaciones dirigidos al uso del concreto consolidado con fibras, las
que desde entonces han sido elementos indispensables en la construcción de
pisos industriales de alto desempeño, pavimentos, cubiertas para puentes,
concretos lanzados para la estabilización de taludes, revestimientos de túneles,
elementos estructurales prefabricados, bóvedas y refractarios, entre otros usos.
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Nuevas investigaciones han abierto la posibilidad de utilizar otros materiales como
son las fibras de polipropileno, las micro-esferas de poli-estireno, la fibra de vidrio
y los polímeros, los cuales pueden agregarse al concreto en la planta mezcladora
cuando ésta haya llegado a la obra.
También tenemos las fibras vegetales que han sido utilizadas en Babilonia y
Egipto ya que innumerables evidencias arqueológicas dan fe de que estas fibras
fueron combinadas con mezclas de arcilla para fabricar elementos estructurales.
Sin embargo, con el paso del tiempo esta técnica cayó en desuso, hasta que ya
muy entrado el siglo XX se retomó, primero con un enfoque empírico y más tarde
bajo la lente de la investigación.
La idea de reforzar materiales frágiles, como el hormigón, es antigua. Los adobes
de barro se reforzaban con paja desde tiempos bíblicos (ya habla de ello el éxodo)
crines de caballo se utilizaron para armar morteros hidráulicos.
Los antecedentes inmediatos de las fibras de acero pueden encontrarse en
diversas patentes de comienzos de siglo, que empleaban trozos de alambre, así
como en ciertas investigaciones desarrolladas en Estados Unidos, Inglaterra y la
URSS desde comienzos de la década de los 60, y que tiene su precedente en las
de Griffith(1920).
Las fibras de acero para concreto fueron patentados por Jim Romualdi USA en el
año de 1962.
Primer pavimento en 1971 –Ohio
Primer concreto lanzado en 1971-D. Lankard.
2.2.2. Marco Teórico
2.2.2.1. Concepto de Pavimentos de Concreto
Los Pavimentos rígidos constan de un pavimento formado por una losa de
hormigón, apoyada sobre diversas capas, algunas de ellas estabilizadas. Se
distinguen diversos tipos en función de la clase de pavimento empleado:
1. Pavimento de hormigón en masa vibrado: Es el más empleado, dada su
gran versatilidad. Está dividido en losas mediante juntas para evitar la aparición de
fisuras debido a la retracción del hormigón. Las juntas transversales se disponen a
distancias aleatorias comprendidas dentro de un rango de valores (4-7 m) para
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evitar fenómenos de resonancia. También pueden emplearse pasadores de acero
para asegurar la transmisión de cargas entre losas. En el caso de no hacerlo,
deben inclinarse las juntas. Pavimento de hormigón en masa con juntas
transversales inclinadas.
2. Pavimento continuo de hormigón armado: Muy resistente, aunque también
excesivamente caro, por lo que sólo es idóneo para tráfico pesado. Emplea una
cuantía geométrica longitudinal del 0.6%, suprimiéndose las juntas transversales e
incluyendo en ocasiones fibras de acero distribuidas aleatoriamente para reforzar
su estructura. Plantea pocos problemas de conservación y mantenimiento; este
tipo de pavimentos se emplea sobre todo en Estados Unidos, y no tanto en
nuestro país.
3. Pavimento de hormigón compactado: Su puesta en obra se realiza mediante
expendedoras y compactadoras dada su baja relación agua/cemento –entre 0.35
y 0.40-, por lo que el cemento suele contener un alto porcentaje de cenizas
volantes para facilitar su trabajabilidad. Suelen acabarse con una capa de
rodadura bituminosa, por lo que sales considera Pavimentos mixtos. Tienen la
ventaja de poder abrirse al tráfico rápidamente.
4. Pavimentos de hormigón pretensado: Las capas que conforman el
pavimento rígido son: subrasante, subbase, y losa o superficie de rodadura como
se muestra en la Figura 01
Figura 01: Capas del pavimento rígido.
2.2.2.2. Tipos de Pavimentos De Concreto
Pavimentos de concreto simple con juntas.
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Los que no llevan acero de refuerzo solo el puro concreto.
Pavimentos de concreto reforzado con juntas.
Los que si llevan acero derefuerzo.* pavimento de concreto reforzado
continuo.
Pavimento de concreto presforzado
2.2.2.3. Propiedades de Pavimento Concreto
Son dos las propiedades del concreto que influyen en el diseño y en su
comportamiento a lo largo de su vida útil.
Resistencia a la tensión por flexión o Módulo de Ruptura (MR)
Módulo de elasticidad del concreto (Ec)
Debido a que los pavimentos de concreto trabajan principalmente a flexión es
recomendable que su especificación de resistencia sea acorde con ello, por eso el
diseño considera resistencia del concreto trabajando a flexión, que se conoce
como resistencia a la flexión por tensión (S´c) o Módulo de ruptura (MR)
normalmente especificada a los 28 días.
Existe una prueba normalizada por la ASTM C78 para la obtención del módulo de
ruptura la cual consiste en aplicar carga a la viga de concreto en los tercios de su
claro de apoyo (Figura 02). Se puede realizar otra prueba similar aplicándole
carga el centro del claro; los resultados obtenidos son diferentes
aproximadamente entre 15% a 20% mayores.
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Figura 02. : Prueba para la obtención de módulo de ruptura.
En la siguiente tabla 01 se muestra el Módulo de Ruptura (MR) recomendado.
Tabla 01. : Tipo de pavimento MR recomendado
AASHTO permite utilizar la resistencia a la flexión promedio que se haya obtenido
del resultado de ensayos a flexión de las mezclas diseñadas para cumplir la
resistencia especificada del proyecto.
2.2.2.4. Conceptos Generales de las Fibras de Acero.
Las fibras de acero pueden sustituir al acero de refuerzo convencional (malla y/o
varilla) siempre y cuando el acero sea por temperatura, Además ayuda, pero no
sustituye al refuerzo de la resistencia a la flexión, es decir no podemos pretender
que las fibras de acero reemplacen al acero convencional de la resistencia a la
flexión.
Al recibir la adición de pequeñas cantidades de fibras, el concreto se enriquece
con el incremento de algunas propiedades. Quien opte por este tipo de refuerzo
del material debe saber que, si bien los procedimientos de producción y
construcción no difieren mucho de lo acostumbrado, hay que tomar ciertos
recaudos durante los procesos de mezclado, colocación y acabado para obtener
los resultados óptimos.
La aplicación de estos compuestos viene creciendo en diversidad, pudiendo
encontrarse en varias aplicaciones en construcción civil, estructuras como túneles
y pavimentos, donde el concreto reforzado con fibras va ampliando
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progresivamente su aplicación. Estos compuestos están constituidos básicamente
por dos fases:
• La matriz.
• Las fibras.
Las fibras pueden actuar como un refuerzo de la matriz en función de las
propiedades de esta y de las propias fibras.
La adición de fibras de acero al concreto minimiza el comportamiento frágil
característico del concreto. El concreto pasa a ser un material seudos-dúctil. La
alteración del comportamiento es función de las características de las fibras, de la
matriz de concreto y de su interacción.
Para algunas aplicaciones el concreto reforzado con fibras presenta ventajas
tecnológicas y económicas en relación al convencional, como el caso de
revestimientos de túneles u otras aplicaciones de concreto proyectado, los
pavimentos, los premoldeados y otros.
2.2.2.5. Clasificación de las Fibras de Acero
• Según el Método de Fabricación
La norma ASTM A 820 clasifica en cuatro tipos (Figura 03):
Tipo I: Alambre estirado en frío Tipo II: Corte de Lamina
Tipo III: Rebose de Fundición Tipo IV: Otros (fresado)
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FIGURA 03: Clasificación de las fibras de acero
La fabricación de los diferentes tipos de fibras se muestra en las siguientes
(Figura 04, 05. 06, 07):
Método de fabricación: Tipo I
FIGURA 04: Alambre estirado en frio
Método de fabricación: Tipo II
FIGURA 05: Lámina cortada
Método de fabricación: Tipo II
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Método de fabricación: Tipo II
Método de fabricación: Tipo III
FIGURA 06: Rebose de fundición
Método de fabricación: Tipo IV
FIGURA 07: Otros (fresado)
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2.2.3.MARCO CONCEPTUAL
Concreto Reforzado con Fibras de Acero
2.2.3.1. Definición.
Las fibras de acero utilizadas en el refuerzo del concreto son discontinuas, con
una distribución discreta y uniforme que confiere al material isotropía y
homogeneidad.
Esta incorporación se realiza para mejorar ciertas propiedades específicas del
concreto, ya sea en estado fresco, en primeras edades o en estado endurecido.
Las fibras se pueden añadir a concretos en masa, armados o pretensados, es
decir, que las fibras pueden estar presentes tanto con armaduras pasivas como
activas.
2.2.3.2. Concreto reforzado
El con fibras de acero están constituidas esencialmente por los mismos
componentes que un concreto tradicional y adicionalmente fibras de acero. La
inclusión de las fibras, además de alterar el comportamiento del concreto en
estado endurecido, también lo hace en estado fresco, por lo que a algunos de los
componentes se les exigen condiciones que en los hormigones (concretos)
tradicionales no son necesarias.
El material compuesto tendrá que sufrir ciertas modificaciones respecto de un
concreto tradicional por estar en función de la cantidad de fibras que se va a
adicionar al concreto y a la geometría de éstas. Estas modificaciones pasan
principalmente por una limitación en el tamaño máximo del agregado, menores
valores de relación grava-arena, mayores cantidades de aditivos reductores de
agua, y mayor demanda de finos, entre otros.
En la tabla 2 muestra el rango de proporciones para un SFRC según el ACI
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Tabla 2: Rango de proporciones de componentes para un SFRC
2.2.3.2.1. Cemento.
El cemento es un componente decisivo en la docilidad del material en estado
fresco y, posteriormente, en las características mecánicas del concreto
endurecido. Se puede emplear cualquier cemento que cumpla con los requisitos
establecidos para un concreto tradicional, siempre que sea capaz de
proporcionar al concreto las características que exige el proyecto.
Cuanto mayor sea el contenido de fibras y menor el tamaño máximo del
agregado, será necesario emplear una mayor cantidad de cemento con la
finalidad de proporcionar más pasta.
2.2.3.2.2. Agua.
Se puede emplear agua que cumpla los mismos requisitos exigidos en el
caso de concretos tradicionales armados, poniendo especial atención a los
agentes que puedan afectar a las fibras. La Instrucción EHE 2008 establece, que
el aumento de la consistencia debido al uso de las fibras debe ser compensado
siempre con la adición de aditivos reductores de agua, sin modificar la
dosificación prevista de la misma.
2.2.3.2.3. Agregados.
Además de cumplir los requerimientos de composición, resistencia, durabilidad,
estabilidad y limpieza establecidos para el empleo en concretos
tradicionales, los agregados deben tener unos tamaños de partícula,
granulometría y formas adecuadas para la elaboración de un SFRC.
Se pueden emplear agregados rodados o chancados, siendo el más adecuado el
empleo de los primeros (especialmente en la arena) ya que para valores
idénticos de relación agua/cemento se obtiene mejor docilidad que con los
agregados chancados.
Respecto del contenido de finos, cuando se adicionan fibras de acero es
aconsejable incorporar mayor cantidad de finos para reducir el riesgo de
segregación, aumentar la cohesión y favorecer la movilidad de las fibras.
La movilidad potencial de las fibras depende de la proporción de agregado
grueso y del tamaño máximo de agregado (Figura 08). Cuanto mayor sean estos
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dos parámetros menor será la movilidad potencial de las fibras. La JSCE ( Japan
Society of Civil Engineers) plantea que el valor óptimo del tamaño máximo
de agregado sea inferior a la mitad de la longitud de la fibra.
Figura 08: Efecto del tamaño del agregado en la distribución de las fibras
(De 40mm de longitud)
Tamaños máximos de agregado mayores que 20mm no son recomendados,
aunque en algunos estudios se han empleado agregados de hasta 38 mm con
resultados satisfactorios (ACI 544.3R-08, 2008). Se recomienda también que el
tamaño máximo de agregado no supere:
• 2/3 de la longitud máxima de la fibra.
• 1/5 del lado menor del elemento.
• 3/4 de la distancia libre entre las barras de armado.
La relación agregado grueso/agregado fino (Ag/Af) suele reducirse respecto de
lo especificado para un concreto tradicional con las mismas exigencias de
resistencia, ya que un mayor volumen del mortero facilita la movilidad de las
fibras. Se debe buscar una relación Ag/Af óptima que proporcione la docilidad y
resistencia deseadas.
2.2.3.3. Fibras de Acero
Las fibras de acero son elementos de corta longitud y pequeña sección que se
adicionan al concreto con el fin de conferirle ciertas propiedades específicas, con
las características necesarias para dispersarse aleatoriamente en una mezcla de
concreto en estado fresco empleando metodologías de mezclado tradicionales.
La geometría de las fibras es diversa, pudiendo tener sección circular,
cuadrada o rectangular (ver figura 09).
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Figura 09. Diferentes tipos de fibras de acero
Además, con el fin de mejorar la adherencia con el concreto, las fibras pueden
presentar los extremos conformados, ondulaciones, corrugas, aplastamientos,
ganchos, etc. En general, las dimensiones de las fibras oscilan entre 0,25 y 0,80
mm de diámetro y entre 10 y 75 mm de longitud. El método de obtención no
es único, aunque el más habitual es el del corte de alambres trefilados de acero
de bajo contenido de carbono. Otros métodos son el corte de láminas de acero y
el arrancamiento en caliente, consiguiendo fibras de sección cuadrada y fibras
con forma de viruta respectivamente.
2.2.3.3.1. Características.
En la caracterización de las fibras de acero se emplean tres parámetros básicos,
tal y como se indica en:
• Esbeltez o aspecto: este parámetro se define como la relación entre la
longitud de la fibra y su diámetro (lf /df). A mayor esbeltez, menor será la
dosificación de fibras a utilizar.
• Resistencia a tracción del acero: la resistencia a tracción de las fibras
depende de la calidad del acero. Para un contenido bajo o medio de
carbono, la resistencia a tracción oscila entre 400 y 1500 MPa.
Incrementando el contenido de carbono se pueden alcanzar resistencias de
2000 MPa, siendo este tipo de fibras especialmente adecuadas para
concretos de alta resistencia.
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• Forma: Se obtienen mejores resultados con fibras trefiladas de sección
circular y con extremos conformados. En función de la aplicación que se le va
a dar a las fibras, éstas pueden ser galvanizadas, con una mejor resistencia a
la corrosión en obras marítimas, o de acero inoxidable, impidiendo la
corrosión en atmósferas calientes y con gases agresivos como es el caso de
los concretos en el revestimiento de hornos, en industria petroquímica, etc.
2.2.3.3.2. Longitud de la fibra de acero.
Además de las limitaciones relacionadas con el tamaño máximo de árido ya
comentadas, cuando el concreto va a ser bombeado, la longitud de la fibra no
debe superar 2/3 del diámetro interior del tubo. Otro factor limitante de la longitud
de las fibras es la separación entre las barras de armado cuando éstas están
presentes (en estos casos la longitud de las fibras no debe superar la separación
mínima entre barras a no ser que se demuestre con ensayos previos que no
presentan inconvenientes).
La sección transversal de las fibras depende principalmente del material usado
en la fabricación (proceso de fabricación). El grupo I suele tener diámetros de
0.25 a 1mm, en función de la sección del cable del que son obtenidas
(generalmente secciones circulares).
El grupo II (por lo general planas y rectas) tienen secciones transversales con
espesores de 0.15 a 0.64 mm y anchos de 0.25 a 2 mm. Independientemente del
tipo de fibras, la gran mayoría tiene diámetros entre 0.4 y 0.8 mm y
longitudes de 25 a 60 mm. Su índice de esbeltez por lo general es menor que
100, generalmente entre 40 y 8.
El contenido de fibras de un SFRC tradicional oscila entre el 0.25 y el 2%. El
límite inferior es utilizado para losas con bajas solicitaciones y el límite superior
para aplicaciones de seguridad o militares. En algunos casos extraordinarios con
HPFRC se llega a utilizar entre un 2 y un 15 %.
Con volúmenes de fibras inferiores al 0.5 % y fibras de esbeltez inferior a 50, el
incremento de la resistencia a rotura a flexo tracción puede ser despreciable
(ACI 544, 4R-88, 2009). Por lo tanto, se requiere de un contenido mínimo de
fibras, que resultara menor a medida que aumente la capacidad adherente y la
esbeltez de las fibras.
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Para las fibras de igual longitud, la reducción en el diámetro aumenta el número
de ellas por unidad de peso y hacen más denso el entramado o red de fibras. El
espaciamiento entre fibras se reduce cuando la fibra es más fina, siendo más
eficiente y permitiendo una mejor redistribución de la carga o de los esfuerzos.
El efecto de las fibras en las diferentes etapas del proceso de figuración del
concreto se refleja a dos escalas: material y estructural. Así, en la fase de
figuración aleatoria, las fibras cosen las fisuras activas y retardan el desarrollo,
incrementando la resistencia y la ductilidad a escala del material, mientras que
en la etapa en que las macro fisuras se propagan, las fibras también cosen las
fisuras y así aportan mayor capacidad resistente y ductilidad a escala
estructural.
Cuando se requiere que las fibras actúen en la micro fisuras, se debe adicionar
un gran número de fibras y su diámetro debe ser pequeño. La Trabajabilidad del
material, conduce a preferir fibras cortas. Por otro lado, para controlar las macro
fisuras las fibras deben ser lo suficientemente largas para estar adecuadamente
andadas en la matriz, si bien por requerimientos de Trabajabilidad las fibras
largas deben ser usadas en menores proporciones que las cortas.
En definitiva, la resistencia a tracción y la ductilidad del material pueden ser
incrementadas empleando una alta proporción de fibras cortas y, para mejorar la
capacidad resistente y la ductilidad de la estructura, se debe añadir una cierta
cantidad más baja de fibras largas.
2.2.6.1.2. Longitud crítica de la fibra.
Al aplicar un esfuerzo de tracción, en los extremos de la fibra no hay transmisión
de carga desde la matriz, se genera un patrón de deformación.
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Figura 10. Extremo de las fibras
Existe una longitud de fibra crítica para aumentar la resistencia y rigidez del
compuesto. Esta longitud crítica Ic depende del diámetro d de la fibra, de la
resistencia a la tracción αf y de la resistencia de la unión matriz- fibra( o
resistencia al cizallamiento de la matriz), Tc, de acuerdo con:
Los perfiles esfuerzo- deformación dependen si la longitud de la fibra es mayor o
menor que la longitud crítica:
Figura 11. Cuadro de esfuerzo deformación
Si I=Ic : la carga máxima se consigue en el centro de la fibra. Si I>Ic: e
reforzamiento es más efectivo.
Si I<Ic :el reforzamiento es insignificante (la matriz se deforma alrededor de la
fibra, casi no existe transferencia del esfuerzo).
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Figura 12. Cuadro de esfuerzo deformación
Si I>Ic (normalmente I>15 Ic) fibras continuas. Si I<Ic : fibras cortas o
discontinuas.
2.2.3.4. Comportamiento Mecánico del Concreto Reforzados con Fibras de
Acero
El concreto reforzado con fibras de acero puede ser considerado una variante del
principio de refuerzo con barras de acero. En este caso, el refuerzo se realiza con
un gran número de pequeñas fibras, distribuidas de forma aleatoria en la mezcla.
Las fibras de acero son las que tienen la función de soportar las tracciones tras la
figuración del concreto. Sin embargo, es necesario precisar que la manera de
trabajar de las fibras es diferente a la del armado convencional.
En el caso del armado convencional, las barras están ancladas de forma que se
alcanza el límite elástico del acero y su capacidad última se desarrolla
cuando tiene lugar la rotura del acero. A diferencia de las barras, las fibras de
acero se diseñan para que no alcancen el límite elástico del acero, antes de
alcanzarlo deben deslizar para desarrollar su máxima eficiencia. La razón es que
todas las fibras que cosen una fisura tienen diferente longitud de anclaje y
orientación. Esto significa que las deformaciones en las diversas fibras durante la
apertura de la fisura son muy distintas, existiendo la posibilidad de que algunas de
ellas rompan mientras que otras aún están sometidas a tracciones bajas (ver
figura 13).
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Figura 13 Relación carga-desplazamiento Figura 14. Relación carga-desplazamiento
para rotura de fibras (tracción para deslizamiento de fibras (tracción).
(Rodríguez López et al., España 1984). (Rodríguez López et al., España1984).
No obstante, si las fibras deslizan en lugar de romperse, su resistencia total a
tracción será muy importante, consiguiendo además una gran ductilidad (ver figura
14). De esto se deduce que la longitud de anclaje debe ser suficientemente
grande para garantizar la adherencia y suficientemente pequeña para permitir el
deslizamiento de las fibras.
Se procederá a continuación a un análisis más detallado del comportamiento
mecánico del hormigón (concreto) reforzado con fibras de acero (HRFA) frente a
diversos esfuerzos estáticos y esfuerzos dinámicos.
2.2.3.5. Comportamiento frente a Esfuerzos Estáticos.
• Comportamiento a compresión.- La resistencia a compresión del concreto no
se ve afectada de manera significativa por el contenido de fibras, y el agotamiento
por compresión se anuncia por la formación de fisuras en la dirección de la
tensión de compresión, como en el concreto convencional. La presencia de fibras
no varía el patrón de figuración del concreto, por esta razón la pequeña variación
de resistencia a compresión es ignorada. Sin embargo, una vez alcanzada la
tensión de rotura, la ductilidad se ve influenciada significativamente por la adición
de fibras.
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Figura 15. Diagrama tensión de compresión Figura 16. Diagrama tensión de
deformación Tracción deformación Tracción deformación
(Rodríguez López et al., España 1984). (Rodríguez López et al., España 1984).
La figura 7 corresponde a ensayos efectuados sobre probetas cilíndricas de 76mm
de diámetro y 152 mm de longitud, de acuerdo con la especificación C 39-72 de
las normas ASTM y a una temperatura de 75ºF. Las fibras utilizadas son de 0,40
mm de diámetro y 30 mm de longitud, con anclajes en los extremos.
En concretos jóvenes (antes de los 28 días) la capacidad de mantener la carga
máxima a compresión se incrementa significativamente con la adición de fibras, a
medida que madura el concreto este incremento se reduce y la capacidad de
absorción de energía y la ductilidad se concentran principalmente en la región
post-fisura.
Cuanto menor es el tamaño de las probetas se obtienen mayores resistencias a
compresión, debido a que se acentúa un alineamiento preferente de las fibras. El
efecto se hace mucho más sensible a medida que se aumenta la longitud de la
fibra (ACI 544.3R-08, 2008). Probetas con mayor esbeltez soportan
tensiones sensiblemente mayores, pero presentan respuestas menos dúctiles a
compresión. Se debe tener especial cuidado con estas situaciones para no
generar falsos panoramas con resultados excesivamente optimistas.
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• Comportamiento a tracción.- La adición de fibras de acero en el concreto
produce un aumento de la resistencia a tracción. Este incremento es mayor
cuanto mayor es el contenido de fibras (ver figura 8). Alcanzada la tensión de
rotura, el SFRC muestra una resistencia prácticamente constante dependiendo
del volumen de las fibras. Este fenómeno permite la transmisión de tensiones de
tracción después de la fisuración.
El efecto más importante en el comportamiento mecánico del concreto, debido a la
presencia de las fibras, se manifiesta en la resistencia a tracción post-fisura. La
resistencia a tracción post-fisura a su vez, afecta a muchas otras propiedades
mecánicas como la adherencia de armaduras, la resistencia a la cortante, la
fatiga.
Adicionando fibras en un 1.5% en volumen en concretos o morteros se obtienen
incrementos en la resistencia a tracción directa del orden del 30%- 40% (ACI
544.1R-96, 2009).
• Comportamiento a flexión.- La adición de fibras de acero en un elemento
estructural sometido a flexión es más efectiva que en uno sometido a tracción. La
causa de esta efectividad es que en la flexión se aprovecha la capacidad de
redistribución del concreto reforzado con fibras. En la figura 9 se muestra el
aumento de la resistencia a flexión según el porcentaje de fibras de acero.
El incremento de la resistencia a flexo tracción al adicionar fibras de acero al
concreto es considerablemente mayor que el de la resistencia a la compresión y a
tracción. Esto se debe al comportamiento dúctil del SFRC en la zona fisurada por
tracción, desarrollando resistencias residuales.
Los ensayos de flexo tracción en SFRC se realizan principalmente sobre probetas
prismáticas. Normalmente, se determina la resistencia a primera fisura, la
resistencia a rotura por flexo tracción y la resistencia residual a flexo tracción.
El incremento de la resistencia a primera fisura contenido con la adición de fibras
de acero es mínimo, lo cual indica que esta propiedad depende básicamente de la
matriz y muy poco del contenido de fibras, del tamaño y de la forma de éstas, por
lo que resulta más rentable mejorar las características de la matriz con el uso de
por ejemplo: aditivos, humo de sílice, entre otros.
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La resistencia a rotura depende principalmente del volumen de fibras y de la
esbeltez de éstas, logrando incrementos de hasta el 100% respecto de la
resistencia de la matriz, si se utiliza fibras de extremos conformados.
Tipo
Diámetro
(d)
(mm)
Longitud (l)
(mm)
Factor de
forma
(relación l/d)
AplicaciónPeso de la
caja en (kg)
Nº de fibras
por kg
Wirand
FF11.00 50 50
Pisos, pavimentos
y prefabricados20 3244
Wirand
FF40.80 60 75
Pisos, pavimentos
y prefabricados20 4224
Wirand
FS3N0.75 33 44
Hormigón
proyectado20 8738
Wirand
FS80.75 25 33
Hormigón
proyectado20 11308
Tabla 3: de aceros Wirand
2.3. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN.
2.3.1. Objetivo General
Determinar y analizar las propiedades mecánicas del concreto para pavimentos
reforzado con fibras de acero WIRAND
2.3.2. Objetivos Específicos
1) Determinar las mejoras mecánicas del concreto para pavimentos reforzado con
fibras de acero WIRAND
2) Evaluar la resistencia a la flexión, tracción y compresión del concreto reforzado
con fibras de acero WIRAND en pavimentos.
3) Compara el concreto reforzado con fibras de acero con el concreto empleando
comúnmente.
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2.4. VARIABLES
2.4.1. Variables e Indicadores
VU: Comportamiento del Concreto Reforzado con Fibras de Acero WIRAND
2.4.2. Operacionalización de Variables.
VARIABLE UNICA INDICADORES
COMPORTAMIENTO DEL
CONCRETO REFORZADO CON
FIBRAS DE ACERO WIRAND
Resistencia del concreto
usando Fibras de Acero
WIRAND
Dosificación de Materiales
(Agua, cemento, y agregados)
y la utilización de Fibras de
acero WIRAND
2.5. DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO DE DISEÑO
2.5.1. Tipo Investigación.
La presente investigación es de carácter aplicativo, de tipo descriptivo- explicativo.
Es descriptiva y explicativa porque su propósito es optimización de las
propiedades mecánicas del concreto para pavimentos reforzado con fibras de
acero Wirand en el distrito de José Luis Bustamante y Rivero
Como Investigación participativa, generará la búsqueda de la solución que mejore
el nivel de vida de las personas involucradas en el proyecto.
2.5.2. Diseño específico.
Nuestra investigación responde a las características propias de una investigación
descriptiva-explicativa, puesto que pasamos metodológicamente por las etapas de
planeamiento y ejecución, aplicando los métodos deductivo e inductivo, por lo
tanto el diseño específico de la investigación es transversal, correlacional y
causal porque se analiza el estado de nuestras variable en un momento dado y
se recolectan los datos en un momento dado y tiempo único, es decir se adecua a
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las condiciones y cómo éstas se presentan en la realidad para tomar los datos
para su análisis respectivo y proponer la optimización de las propiedades
mecánicas del concreto para pavimentos reforzado con fibras de acero Wirand en
el distrito de José Luis Bustamante y Rivero
2.6. UNIVERSO Y TÉCNICAS DE INVESTIGACIÓN
2.6.1. Universo, población y muestra
El universo en el que se desarrollará el presente proyecto estará conformado por
la población del distrito de José Luis Bustamante y Rivero
2.6.2. Técnicas:
• Ensayo de suelos recomendado por el ministerio de transporte y
comunicaciones
• Recomendaciones de la E-030
• Observaciones del suelo
• Ubicación del proyecto
• Encuestas
• Entrevistas
• Estadísticas del distrito
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III. ADMINISTRACIÓN DEL PROYECTO
III.1. PROGRAMACIÓN
ETAPAS Y
TIEMPOSABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO
Elaboración de
proyectoX
Presentación de
proyectoX
Revisión
bibliográficaX X
Elaboración de
instrumentosX
Aplicación de
instrumentosX X
Tabulación de datos X
Elaboración de
informeX
Presentación de
informeX
Sustentación X
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3.2. PRESUPUESTO
DENOMINACION CANTIDADCOSTO
UNITARIO
COSTO
TOTAL
Und S/. S/.
1. Materiales de Escritorio
Papel Bond A-4 de 80 gr. 1,000.00 S/. 0.03 S/. 28.00
Copias Fotostáticas 500.00 S/. 0.10 S/. 50.00
Cartucho de Tinta HP - Negro 1.00 S/. 60.00 S/. 60.00
Cartucho de Tinta HP - Color 1.00 S/. 80.00 S/. 80.00
2. Pasajes y Gastos de Transporte
Pasajes 1.00 S/. 100.00 S/. 1000.00
3. Otros
Encuestadores 5.00 S/. 100.00 S/. 500.00
Servicios de Internet 50.00 S/. 1.20 S/. 60.00
Análisis de información 8.00 S/. 300.00 S/. 2,400.00
Material Bibliográfico 5.00 S/. 160.00 S/. 800.00
Empastado de Tesis 1.00 S/. 50.00 S/. 50.00
TOTAL S/. 5,028.00
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Bibliografía
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VESGA M Medellín: Luís Fernando plataforma para tránsito y parqueo de
aviones: diseño de pavimento con adoquín.- santa fe de Bogotá: terminal Aéreo
Simón Bolívar 1988.- Pv.