1

Refuerzo de pilares con encamisado de hormigón. Un enfoque distinto Autores: Ariel Espeche(1), Javier León (2), Hugo Corres(3)

(1) (ade@he-upm.com) (2) (jlg@he-upm.com) (3) (hcp@he-upm.com) Grupo Hormigón Estructural ETS de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos Universidad Politécnica de Madrid www.he-upm.com

Resumen Se presenta una nueva técnica de refuerzo de pilares de hormigón, la cual es una optimización del procedimiento tradicional de recrecido con hormigón armado. Se emplea un microhormigón de altas prestaciones, sin que sea necesario tratar la superficie previamente. Está orientada a minimizar la afección a la estructura existente, usando detalles constructivos sencillos, los cuales se apoyan en el comportamiento fenomenológico del sistema soporte antiguo – refuerzo. Su ámbito de aplicación son los pilares de edificación predominantemente comprimidos y solicitados a cargas gravitatorias, situados en pisos aislados. El valor agregado de este procedimiento es la reducción de costes directos asociados a la reducción de tiempos de aplicación, simplificación procesos de constructivos y a la optimización del consumo de materiales.

1 Introducción Existen en la actualidad diferentes técnicas de refuerzo de soportes de hormigón armado (refuerzo con angulares, encamisados metálicos, de polímeros reforzados con fibras, de de hormigón vertido o proyectado, etc). Aunque los procedimientos de ejecución y los materiales empleados han ido evolucionando con el tiempo, se detecta una carencia de métodos de análisis para el proyecto de refuerzos de columnas de hormigón. En España no existe ninguna normativa sobre refuerzo de pilares, por lo que el proyectista, cada vez que se enfrenta a esta labor, suele hacer uso de los métodos, herramientas de análisis de secciones y normativa para estructuras de nueva ejecución, lo cual no siempre refleja el comportamiento estructural de un soporte reforzado.

2

Figura 1. Aspecto típico de un pilar durante el proceso de ejecución de un refuerzo con encamisado de hormigón armado. En esta comunicación se presenta una nueva propuesta de ejecución y análisis para el refuerzo de pilares con encamisados de microhormigón, basada en una adaptación del método empleado por la escuela alemana para el refuerzo con hormigón proyectado.

2 Conceptos preliminares

2.1 Refuerzo y reparación de estructuras Conviene dejar en claro la diferencia entre refuerzo y reparación de estructuras. Conceptualmente [1], una intervención de refuerzo produce un incremento de capacidad estructural (resistencia, ductilidad, rigidez, etc.), lo que se traduce implícitamente en la reutilización del elemento antiguo, para mejorar netamente sus prestaciones. El pilar antiguo aporta al sistema reforzado (soporte antiguo + refuerzo) su capacidad remanente, debido a que generalmente las columnas de edificación soportan una precarga (o predeformación), la cual es deseable que se encuentre como máximo en el nivel de la carga de servicio. Para elevados niveles de precarga en una columna de hormigón armado, la misma experimenta una disminución de la rigidez de la pieza, y las posibilidades de reaprovechamiento se ven mermadas. En el caso de elevados niveles de carga, próximos a la carga máxima, y cuando el nivel de daño es muy importante, la aportación estructural del soporte existente se hace despreciable. Cuando se acomete la intervención de un soporte antiguo en estas en estas condiciones, se debe hablar propiamente de reparación. En síntesis, reforzar (ver Figura 4) significa reutilizar la sección existente, para dotarla de mayor capacidad; en cambio, reparar (ver Figura 3) implica restaurar la capacidad original (si acaso incrementarla, pero si contar con la aportación del elemento intervenido). La protección (ver Figura 2), a diferencia de la reparación y el refuerzo, no mejora prestaciones, sino que inhibe o desacelera el proceso de deterioro. El término reparación también se aplica a las operaciones de mantenimiento que permiten la restauración del elemento antiguo dañado. Las reparaciones no estructurales tales como los parcheos, reconstrucciones de recubrimientos, etc, por lo general no requieren de un estudio de seguridad estructural, en cambio, cuando el porcentaje de perdida de sección del elemento comienza a ser importante [2] (valores

3

aproximadamente mayores al 25%), la reparación adquiere la categoría de estructural, y por tanto, debe plantearse en el marco de un proyecto de ingeniería de estructural.

Capacidad(durabilidad, resistencia, etc)

Tiempo

Protección

0C0C

(p ejem:pasivación de la corrosión)

TpiC TpfC

Figura 2. Se representa el efecto que tiene una intervención de protección en un diagrama de pérdida de capacidad en función del tiempo. El significado de los valores apuntados es el siguiente: C0 = Capacidad en el inicio de la vida útil del elemento; CTpi = Capacidad en el momento inicial de la protección; CTpf = Capacidad en el momento final de la protección (CTpi = CTpf).

Capacidad(durabilidad, resistencia, etc)

Tiempo

0C0CTrepC (p ejem:parcheo estructural)

Figura 3. Se representa el efecto que tiene una intervención de reparación en un diagrama de pérdida de capacidad en función del tiempo. El significado de los valores apuntados es el siguiente: C0 = Capacidad en el inicio de la vida útil del elemento; CTrep = Capacidad en el momento que se acomete la reparación.

Capacidad(durabilidad, resistencia, etc)

Tiempo

0C0C

TrefC(p ejem: refuerzo de un elemento estructural)

Figura 4. Se representa el efecto que tiene una intervención de refuerzo en un diagrama de pérdida de capacidad en función del tiempo. El significado de los valores apuntados es el siguiente: C0 = Capacidad en el inicio de la vida útil del elemento; CTref = Capacidad en el momento que en que se efectúa el refuerzo.

4

2.2 Causas del refuerzo La necesidad de reforzar un pilar puede plantearse en cualquier instante de su vida útil, y puede venir motivada por causas son diversas [3]: errores de proyecto, deficiente de ejecución, incorrecto proceso constructivo, rehabilitación ante acciones accidentales (seísmos, choques, explosiones, etc), cambios de uso, nuevas exigencias normativas, etc.

2.3 Evaluación de soportes existentes Esta tarea comporta la necesidad de realizar, antes de plantear la viabilidad del refuerzo, una inspección detallada de la estructura en su conjunto (no sólo los pilares), tanto desde el punto de vista estructural (mecanismo resistente y capacidad portante), como de la durabilidad (carbonatación, contenido de cloruros u otro tipo de ataque), con el fin de plantear tal refuerzo en el contexto adecuado. En particular, la evaluación de la capacidad portante (seguridad estructural) suele hacerse de tres maneras diferentes: probabilista, semiprobabilista y determinista, pero debe añadirse que no basta con cuantificar la seguridad (medida en ELU de la “distancia” entre la capacidad estructural R y las solicitaciones S), sino que, además, se debe evaluar el nivel de predeformación producido por las acciones permanentes que solicitan al pilar en el que se va a intervenir.

2.4 Historia de cargas de la pieza existente Un pilar antiguo ha debido de soportar a lo largo de su vida una serie de solicitaciones producto de las cargas permanentes (peso propio y carga muerta), sobrecargas de uso y acciones accidentales, cuyo conocimiento o evaluación es imprescindible, tanto en términos de esfuerzos como de deformaciones acumuladas, dado que éstas constituyen un estimador del nivel de aprovechamiento de la pieza. En ese sentido, desde el planteamiento clásico de análisis seccional, una sección reforzada se comporta como una sección compuesta y evolutiva [4]. Compuesta, por que simplificadamente está formada por dos elementos seccionales: la sección antigua y el refuerzo. Evolutiva, porque se puede estudiar en dos fases: la sección antigua sin refuerzo y la sección compuesta reforzada. En la primera fase (fase 0), la sección resistente es la sección antigua y soporta un estado tensional debido a la precarga que, por lo general, será debida al peso propio de la estructura más las cargas muertas aplicadas antes de la entrada en carga del refuerzo.

Figura 5. Estado de cargas, deformaciones y tensiones en la fase 0, inmediatamente anteriores al refuerzo.

5

El resto de cargas que se aplican luego de la puesta en servicio del refuerzo corresponden a la segunda fase (fase 1), y son todas aquellas cargas muertas y sobrecargas de uso y accidentales, a las que debe hacer frente la sección compuesta.

Figura 6. Estado de cargas, deformaciones y tensiones en la fase 1, a partir del refuerzo (sin contar el estado previo). En el estado tensional final (fase 1), existe una discontinuidad de deformaciones (y tensiones) en la pieza reforzada, debido a la precarga (predeformación). A menor solicitación inicial en la pieza antigua, se obtiene una distribución más uniforme de deformaciones en el soporte reforzado, lo que implica una menor solicitación en la pieza antigua y un mayor aprovechamiento del refuerzo. En caso contrario, si la mayor parte de la carga se aplica sobre la pieza antigua, el refuerzo se encontrará poco solicitado.

Figura 7. Estado de deformaciones y tensiones a partir de la superposición de las fases 0 y 1. En ese sentido, para optimizar la capacidad del soporte existente, se puede recurrir al procedimiento de descarga del pilar antiguo, mediante un apuntalamiento activo (gatos hidráulicos). Luego de llevar al pilar antiguo al estado cuasi-noval (sin esfuerzos), se procede a la ejecución del refuerzo y, posteriormente, se aplican las restantes cargas, actuando sobre la sección compuesta, que respondería en la práctica como si de una sección única y nueva se tratase.

Figura 8. Esquema estático para tener en cuenta la descarga con apuntalamiento activo del forjado (izquierda). Componentes de la redistribución de deformaciones en servicio, gracias al efecto benéfico de la descarga por apuntalamiento activo (derecha).

6

Una manera simplificada de tener en cuenta en ELU el efecto de la precarga [5] consiste en reducir la resistencia del hormigón nuevo (hormigón de refuerzo). Esta reducción, en pilares solicitados a axil centrado, se puede tomar como un 80%. La Figura 9 representa gráficamente la superposición de los diagramas tensión-deformación del hormigón antiguo y del refuerzo, y muestra gráficamente este efecto. El hormigón antiguo será el que condicione la rotura de la sección compuesta (reforzada), debido a que posee una predeformación producida por la precarga εca,t = 0, y por lo tanto el hormigón nuevo en el momento del colapso, solo se deformará la diferencia que entre la deformación última (2‰, para el caso de compresión centrada), y la predeformación, cuyo valor ∆εca será menor que la deformación última del hormigón nuevo.

c σ [Mpa]

c ε

ca,t=0 ε

ca,t=0 ε

c,a f

c,n f

cn ε

cu ε

ca ∆ ε

-2.0 -3.5/ ‰

-2.0‰ -3.5‰

Hormigón nuevo

Hormigónantiguo

Figura 9. Efecto de pérdida de efectividad de la resistencia del hormigón nuevo, en el momento de la rotura, debido a la predeformación del hormigón antiguo. Como se verá, el otro mecanismo que es posible movilizar para incrementar la capacidad resistente del pilar antiguo es movilizar el confinamiento. En este caso, el efecto de la precarga se refleja en una pérdida en el incremento de resistencia [6]. Resulta interesante comentar brevemente tres situaciones dependiendo del nivel de predeformación de las secciones antiguas. Para niveles de predeformación en servicio (deformaciones pequeñas), la pérdida de eficacia del incremento potencial brindado por el confinamiento es muy bajo, por ello una sección confinada en este estadio tendrá una respuesta (incremento de resistencia y ductilidad) casi idéntica a la que hubiese obtenido en caso de refuerzo desde el inicio de la historia de cargas (estado noval). El segundo nivel, corresponde a deformaciones próximas al colapso del hormigón antiguo sin confinamiento. El refuerzo de confinamiento pasivo (tal es el caso de los encamisados de hormigón armado) aplicado con este nivel de predeformación solo puede retrasar el proceso de fisuración, con lo cual solo se obtiene una ganancia de ductilidad pero no se incrementa su resistencia.

7

Figura 10. Rango de la respuesta de una sección confinada con bajo nivel de esfuerzos previos al confinamiento. El nivel superior se puede alcanzar con un procedimiento de descarga-refuerzo-recarga o bien con confinamiento activo. Aunque no se recurra a la descarga (confinamiento pasivo), es posible garantizar ganancia de resistencia y de ductilidad

Figura 11. Rango de la respuesta de una sección confinada para un nivel elevado de deformaciones en la pieza existente. El nivel superior se puede alcanzar con un procedimiento de descarga-refuerzo-recarga o bien con confinamiento activo, caso contrario solo se puede garantizar ganancia de ductilidad y no de resistencia.

Figura 12. Respuesta de una sección con elevado nivel de daño. El diagrama es solo conceptual, porque los modelos requeridos de análisis en esta materia se encuentran en pleno desarrollo Por último, para niveles de deformación muy avanzados (elevado nivel de daño) la respuesta es muy difícil de predecir, y el gráfico que se muestra en la Figura 12 tiene solo valor cualitativo.

3 Forma de entrada en carga del refuerzo La forma de entrada en carga de un refuerzo de hormigón armado condiciona su manera de trabajo. Cuando la carga se introduce por contacto directo entre el extremo de la camisa y el elemento estructural horizontal (viga, forjado, etc) el refuerzo trabaja en toda la altura como sección compuesta. En el caso en que no se produzca este contacto,

8

la transferencia se efectúa por mecanismos de la interfaz entre los hormigones (antiguo y nuevo) a lo largo de una distancia conocida como longitud de transferencia.

3.1 Entrada en carga de manera directa El contacto directo del encamisado con la losa o viga es muy difícil de conseguir en la práctica. Tras el hormigonado del refuerzo el hormigón joven experimenta fenómenos de asentamiento plástico y retracción por secado que hacen que inevitablemente se produzca una separación entre el refuerzo y el forjado. Esta discontinuidad suele salvarse mediante técnicas de inyección a posteriori o con el relleno de morteros secos o tixotrópicos (se deja una junta de unos centímetros para poder llenarla con estos materiales). Existe también otro inconveniente, en este caso, de tipo estructural. En refuerzos de pisos aislados, cuando la carga se introduce al encamisado por contacto con el forjado, la capacidad de carga del refuerzo queda condicionada por la resistencia a cortante del mismo. Si se analiza la rotura por el método de bielas y tirantes, en el forjado del piso superior se observa que debido al desvío de las bielas comprimidas verticales desde el pilar del piso superior hacia el refuerzo, produce un par horizontal formado por una biela en la zona superior del forjado y un tirante en la zona inferior del mismo (ver Figura 12). Si el forjado no es capaz de resistir la fuerza producida por el tirante, terminará fallando de manera frágil.

Figura 13. Si el contorno del refuerzo está en contacto con el forjado, la transferencia de carga se hace de manera directa y el refuerzo trabaja como sección compuesta en toda la altura.

3.2 Entrada en carga de manera indirecta Cuando no existe el contacto físico entre el contorno del refuerzo y el forjado, la totalidad de la carga ingresa por el pilar antiguo y la entrada en carga del encamisado se produce a través de mecanismos de interfaz entre los hormigones antiguo y nuevo a lo largo de una cierta distancia denominada longitud de transferencia. El desvío de las bielas comprimidas se produce en el fuste del pilar reforzado y no en el forjado como ocurre con la carga directa. En la zona cercana al contorno del encamisado aparece una biela comprimida y más abajo un tirante que debe ser recogido por una adecuada cuantía de cercos del refuerzo (ver Figura 13).

9

Figura 14. La entrada en carga a lo largo de la longitud de transferencia es posible por los mecanismos de interfaz (cohesión y fricción). La presión normal a la superficie de contacto proviene de la reacción de la camisa ante las deformaciones laterales del pilar antiguo (efecto Poisson) y del tirante producido por el desvío de las bielas de compresión longitudinales.

Como la totalidad de la carga ingresa por el pilar antiguo, en el contorno superior, el axil en el refuerzo es nulo, y por tanto lo es también la deformación longitudinal. A medida que se desciende por el pilar, las secciones del refuerzo van entrando en carga progresivamente. Debido a que la camisa no es capaz de colaborar efectivamente a axil en la zona de entrada en carga, se debe disponer de una importante cuantía de armadura transversal, la cual ha de ser capaz de incrementar la resistencia del hormigón antiguo por confinamiento, para de esta forma conseguir reforzar el soporte antiguo.

ANN N

Ai Ni

NjAj

Nj

t int

NN

NA Lt

NN NAN= +

NAN= Ai

Ni

Nj Aj NjNjAj=

Ai Aj>Ai Aj>

=0

=0

Figura 15. Longitud de transferencia de esfuerzos cuando la carga ingresa al refuerzo de manera indirecta. El límite de la longitud de transferencia se alcanza cuando se logra la compatiblidad del plano de deformaciones longitudinales producido por las acciones que solicitan la pieza reforzada (Figura 15). Los mecanismos de transferencia de la interfaz entre el pilar antiguo y el refuerzo son la cohesión y la fricción. La cohesión tiene importancia durante el servicio, y la fricción aparece en los estadíos de carga próximos a la rotura del soporte reforzado. La presión normal a la superficie de contacto entre el hormigón antiguo y el nuevo proviene de dos fuentes. Una es la tensión normal que se genera por la reacción de la camisa a las deformaciones laterales del pilar antiguo, provocadas por efecto Poisson, y la otra, es la provista por la reacción del tirante horizontal, debido al desvío de las bielas verticales desde el pilar antiguo hacia el refuerzo, fenómeno análogo al producido por una carga concentrada en un macizo.

10

Cuando la sección tiene forma cuadrada o rectangular, la presión lateral en la superficie de contacto no es uniforme en torno al perímetro de la misma, sino que se concentra en las esquinas, y es menor en los centros de las caras. Esto es así debido a que el encamisado se comporta como un tubo o marco rectangular cargado por una presión interior, y por lo tanto, las mayores presiones ocurren en las zonas de mayor rigidez a flexión transversal (ver Figura 16).

Diagrama de distribución de tensiones normales de la junta simplificado

Deformada de la camisa por la reacción del hormigón del pilar antiguo

Baricentro de la camisa de refuerzo

Ts

σn

Htcamisa

σt

Pilar antiguo

Camisa de refuerzo

camisat

Esquema de equilibrio entre las tracciones del cerco y el hormigón de la camisa y la reacción del pilar antiguo sobre la misma

Figura 16. Esquemas simplificados de distribución de tensiones de compresión en la interfaz entre el hormigón antiguo y el refuerzo.

4 Métodos de refuerzo de pilares en pisos aislados A continuación se describen tres métodos de refuerzo en pisos aislados con encamisado de hormigón armado. El primero, más usual en la práctica, por el hecho de apoyar en el forjado presenta ciertas complicaciones constructivas y limitaciones estructurales. Los dos restantes no se apoyan en el forjado y usan el principio del confinamiento como estrategia de refuerzo, aunque el último constituye una filosofía “mixta” entre los métodos de sección compuesta y de confinamiento.

4.1 Método de refuerzo por sección compuesta Es un método de resistencia por incremento de sección mediante la aportación del área del hormigón nuevo y de las armaduras longitudinales de refuerzo. Los cercos tienen la misión de evitar el pandeo de las barras de armadura longitudinal, y su diámetro y separación suelen ser las normales a las prescritas por la normativa de nueva ejecución. Esta forma de refuerzo se basa en la entrada en carga en forma directa. Se suelen pinchar las armaduras al forjado para que se produzca el anclaje de las barras longitudinales en el mismo y se asegure además, el contacto del extremo del encamisado con la losa. El refuerzo trabaja como sección compuesta y la sección de hormigón y las armaduras longitudinales del recrecido colaboran en la resistencia a axil del pilar antiguo. Por ser un método que se basa en la entrada en carga de forma directa la capacidad del refuerzo, se ve limitada por la resistencia a cortante del forjado [7] [8]. Otro factor en contra es el problema que se presenta al tener que taladrar la losa, ya que se pueden cortar armaduras del esta y en el caso de forjados de bovedillas se pueden generar zonas de debilidad en el perímetro del apoyo.

11

Anclaje de las barras

longitudinales en taladros con resina epoxi

Separación normal de cercos

Figura 17. Esquema de refuerzo con el método de sección compuesta.

Si el pilar está sometido a carga de axil centrada, la resistencia característica de la pieza reforzada (sin tener en cuenta coeficientes de seguridad parciales) se puede calcular como la suma de las aportaciones del pilar antiguo y del encamisado de refuerzo. Para tener en cuenta la precarga se supone un factor de 0.8 que afecta la resistencia del hormigón nuevo:

n,sn,yn,cn,ca,sa,ya,ca,cref,u AfAf8.0AfAfP ⋅+⋅⋅+⋅+⋅= [ 1]

Donde:

a,cf es la resistencia a compresión del hormigón antiguo a,cA el área de hormigón del pilar antiguo

a,yf el límite elástico de las armaduras longitudinales antiguas a,sA el área de las armaduras longitudinales del pilar antiguo

n,cf es la resistencia a compresión del hormigón nuevo

n,cA el área de hormigón del refuerzo n,yf el límite elástico de las armaduras longitudinales nuevas n,sA el área de las armaduras longitudinales del refuerzo

4.2 Método de refuerzo por confinamiento En este método, no se busca la transferencia de esfuerzos verticales, y por lo tanto no es necesario que se produzca el contacto horizontal entre el contorno de la camisa y el forjado ni que se transmitan los esfuerzos desde el pilar antiguo hacia el encamisado (aunque en la realidad si se produzca cierta transferencia). Este procedimiento requiere que se zunche o confine toda la altura del pilar. Un ejemplo típico es el encamisado con polímeros reforzados con fibras (FRP), en el cual la rigidez a axil de las fibras resulta despreciable, siendo el trabajo fundamental del encamisado coartar la deformación

12

transversal de la sección antigua (producida por el efecto Poissón), aportando una reacción de tracción que genera un estado triaxial de confinamiento de la misma. El encamisado de refuerzo requiere además que los cercos sean cerrados (en la práctica se suelen usar úes soldadas), y que se recurra a una elevada cuantía de armadura para producir el efecto de mejora de resistencia y ductilidad del hormigón antiguo. La sección de hormigón se puede reducir al mínimo que permita la tecnología del material empleado (hormigón normal, microhormigón de altas prestaciones, hormigón proyectado, etc) debido que su función estructural será la del traspaso de las bielas comprimidas laterales, introducidas por la presión del encamisado sobre la sección preexistente. El espesor de la camisa queda condicionado por requisitos estructurales (compactabilidad entre el cerco y el pilar antiguo) y de durabilidad (recubrimiento). Continuando con el ejemplo de axil centrado, la resistencia del pilar reforzado se calcula con la geometría del pilar antiguo y con un hormigón de características mejoradas gracias al zunchado de los cercos de refuerzo. Como se explicó anteriormente en el párrafo 2.4 para moderados niveles de precarga (servicio), el fenómeno del confinamiento no sufre prácticamente ninguna disminución.

a,sa,ya,ca,ccref,u AfAfP ⋅+⋅= [ 2]

Donde:

a,cf es la resistencia a compresión del hormigón confinado del pilar antiguo

a,cA el área de hormigón del pilar antiguo

a,yf el límite elástico de las armaduras longitudinales antiguas

a,sA el área de las armaduras longitudinales del pilar antiguo.

Separación de cercos de confinamiento

Junta entre camisa y forjado

Junta entre camisa y forjado

Figura 18. Esquema de refuerzo con el método de confinamiento. La formulación genérica para obtener la resistencia de un hormigón confinado es:

lelcocc fkkff ⋅⋅+= [ 3]

13

Donde:

cof es la resistencia del hormigón sin confinamiento

lk es el coeficiente de confinamiento (de valor aproximadamente igual a 4.1)

ek el factor de efectividad

lf la presión de confinamiento lateral El refuerzo por confinamiento de un pilar existente se basa en el incremento de su resistencia uniaxil por la introducción de unas compresiones laterales que producen un estado triaxial de tensiones. El zunchado mejora además la ductilidad del hormigón antiguo.

Figura 19. Diagramas tensión-deformación del hormigón sin confinamiento y del hormigón confinado, donde se observa la ganancia tanto de resistencia como de ductilidad debido al estado triaxil de tensiones provisto por el zunchado. En un pilar confinado con hormigón armado, la presión lateral lf proviene de la reacción de los cercos, ante la deformación producida en el pilar por el efecto Poisson. Debido a que la presión ejercida por las armaduras no es uniforme, se introduce un factor de efectividad ek , el cual depende de la configuración de armado (forma de la sección, separación entre los cercos, la separación entre las barras longitudinales, pasadores intermedios, etc), y tiene en cuenta la pérdida de efectividad debido a que la presión lateral no se introduce de manera uniforme. El área efectivamente confinada se define como área de la sección antigua que realmente contiene un estado triaxial de tensiones (Figura 20).

Figura 20. Esquema del área efectivamente confinada de un pilar cuadrado y reforzado con un encamisado de hormigón armado (izquierda). Volumen efectivamente confinado en una sección antigua para dos detallados de armado diferentes (derecha).

14

4.3 Método de refuerzo con hormigón proyectado planteado por la escuela alemana Este método se basa en la entrada en carga de forma indirecta de la camisa. De esta manera se definen dos zonas en el pilar reforzado: la zona de entrada en carga y la zona central. En la zona de entrada en carga, el refuerzo del pilar antiguo se produce por confinamiento del mismo y en la zona central se produce por aportación de sección y trabajo a axil como sección compuesta (Figura 15). En la zona de extremos el refuerzo se debe armar con una cuantía de cercos típica de confinamiento, y en la zona central con la cuantía normal de pilares de edificación sin confinamiento. En alemania se viene utilizado este procedimiento desde principios de la década del 90 del siglo pasado [9] [10] [11] [12] [13], y está recogido en la normativa de hormigón proyectado DIN 18551.

Separación de cercos de confinamiento

Junta entre camisa y forjado

Junta entre camisa y forjado

Separación de cercos de confinamiento

Separación normal de cercos

Figura 21. Esquema de refuerzo con el método introducido por la escuela alemana de refuerzo con hormigón proyectado. En la zona de introducción de la carga (extremos del pilar) el cálculo del refuerzo se realiza mediante el confinamiento la sección antigua, análogamente al método descrito en el párrafo 4.2. En la zona central, donde se ha producido la compatibilidad de deformaciones, el método de refuerzo es análogo al descrito en el párrafo 4.1.

5 Método propuesto para el refuerzo de pilares La nueva propuesta que se presenta en esta comunicación está basada en el método de refuerzo de la escuela alemana descrito en el párrafo 4.3. Se confía la transferencia de esfuerzos desde el pilar antiguo al refuerzo en la zona de transferencia y se arma la misma con una cuantía de cercos capaz de confinar el pilar antiguo y de proveer la presión normal requerida en la superficie de contacto. En la zona central del fuste, donde se supone la compatibilidad de deformaciones, se utiliza la sección del refuerzo para que colabore junto a la sección antigua.

15

5.1 Uso de un microhormigón de altas prestaciones Se reemplaza el hormigón proyectado por el microhormigón de altas prestaciones. En España el uso del hormigón proyectado no es frecuente en intervenciones estructurales, menos aún en edificación. En cambio el microhormigón autocompactable de alta resistencia ha ido ganado terreno en las aplicaciones de refuerzo y reparación en obras de mantenimiento y rehabilitación de edificios. La aplicación del hormigón proyectado produce un “efecto sombra” detrás de las armaduras del refuerzo, debido a que el material no logra compactarse adecuadamente detrás de las mismas y a que la energía del impacto se ve mermada por la barrera interpuesta por la ferralla. El uso de un microhormigón de elevada compactabilidad elimina este defecto y produce un material mucho más uniforme, lo cual da mayor fiablidad al traspaso de las bielas comprimidas laterales, que ingresan por las esquinas de la sección reforzada y son las responsables del confinamiento de la sección antigua. Con respecto a la durabilidad, la “coraza” de protección que brinda un material de alta resistencia resulta de un valor añadido fundamental frente a las acciones medioambientales y a los posibles ataques químicos.

5.2 Armaduras longitudinales sin conexión al forjado Ni se anclan, ni se traspasan armaduras a los pisos contiguos. Está claramente justificado el hecho de no pasar armaduras longitudinales, ya que en los extremos, la entrada en carga ocurre en forma indirecta y el refuerzo en los extremos se produce únicamente por el confinamiento. La camisa se va cargando axilmente hacia el centro del pilar, y solo al finalizar la longitud de transferencia se produce la compatiblidad de deformaciones (el refuerzo colabora junto con el pilar antiguo en la resistencia de acciones axiles). La longitud de transferencia actúa a modo de una longitud de anclaje de las barras longitudinales del refuerzo. Nuevamente quedan de manifiesto las ventajas de usar un microhormigón de altas prestaciones, debido a que el mismo permitirá que la longitud de transferencia se reduzca para cargas de servicio por la elevada tensión de adherencia.

5.3 Reducción de los tratamientos superficiales Con esta nueva propuesta se intenta evitar el tratamiento superficial eliminando así, el aumento de la rugosidad de las caras del pilar antiguo o el uso de puentes de unión. Solo se debe garantizar la limpieza de los paramentos para que queden libres de polvo, grasas y otros agentes que impidan la adherencia. La cohesión o adherencia, que actúa en las primeras etapas de carga, depende principalmente de la calidad de los hormigones que forman la interfaz. El uso de un microhormigón de alta resistencia en contacto con una superfice antigua con rugosidad natural y con húmedad suficiente aporta la resistencia tangencial cuando el deslizamiento relativo entre las caras del pilar y el refuerzo es pequeño. Una vez que se

16

pierde esta componente, es decir, cuando aumenta el delizamiento relativo y se activa el mecanismo de fricción, resulta fundamental asegurar una elevada presión normal a la superficie de contacto (garantizada por la elevada cuantía de armadura transversal). Para superficies lisas la resistencia friccional se puede expresar en función de la clásica ley de Coulomb en la cual, la resistencia tangencial es directamente propocional a la presión normal a la interfaz y al coeficiente de fricción que es función de la rugosidad. En casi todos los ensayos realizados por los investigadores alemanes de refuerzos con hormigón proyectado, se aumentó la rugosidad con chorro de arena. Se considera que el tratamiento superficial no resulta un parámetro determinante en el traspaso de esfuerzos a través de la interfaz. Por este motivo, el dejar la superficie del hormigón con su rugosidad natural es suficiente. Este planteamiento será verificado con la campaña experimental que se describe al final de este trabajo.

5.4 Armadura transversal con solapes contrapeados

Figura 22 .Horquillas en “ú” empleadas para conformar los cercos de los pilares reforzados. En los encamisados de hormigón armado los cercos a disponer, por razones geométricas, son distintos a los de un pilar de nueva ejecución. En el caso de refuerzos se emplean dos horquillas en forma de U, las cuales se suelen soldar, ya que, si el proyectista evalúa la longitud de solape con las prescripciones de las normativas de nueva construcción por lo general, no cumple la longitud mínima especificada. La propuesta consiste en usar cercos con el menor diámetro y separación posible. De todas maneras, en la campaña experimental se comenzará con un caso desfavorable, ya que se usarán cercos de 10 milímetros de diámetro (separados cada 5 cm), los cuales reforzarán un pilar de 20 cm de lado, resultando longitudes de solape aproximadamente de 25 cm. En los ensayos de los investigadores alemanes siempre se soldaron las ramas de cercos, con lo cual esta vez será la primera vez que se ensayen cercos solapados, que trabajen confinando al pilar antiguo. La garantía del cierre del circuito de tracciones a nivel de cerco quedará confiada al microhormigón de alta resistencia, el cual se espera que mantenga su integridad hasta el colapso de la pieza reforzada. Para evitar la rotura en efecto cremallera, se desfasarán los solapes (contrapeo), rotando los cercos uno a uno, de modo que no se induzca la formación de un plano de fallo de tracción vertical.

17

5.5 Ámbito de aplicación del procedimiento Este método está limitado a pilares con precargas que estén próximas a la carga de servicio, ya que en los casos de pilares próximos al colapso el incremento de resistencia por confinamiento pierde efectividad. Además es preciso que se trate de pilares exentos en todo su perímetro para poder rodearlos con el encamisado. Se trata de pilares centrales de edificación, los cuales están predominantemente comprimidos.

6 Campaña experimental Se ha diseñado una campaña de ensayos a axil centrado en 7 pilares. La misma se ha basado en el estudio de una amplia bibliografía y en una base de datos de ensayos confeccionada en el marco de un proyecto de investigación [14]. Una vez completada esta campaña, la misma servirá como adecuación y calibración de futuros ensayos.

6.1 Descripción de los pilares PILARES ANTIGUOS Se han planteado 2 pilares antiguos de 20 x 20 cm2 de sección, uno con armadura lisa y hormigón de baja calidad, y el otro con armadura corrugada y hormigón de resistencia normal. Los diámetros de las armaduras longitudinales son de 4 ø12 y la transversal cercos de ø6 cada 20cm. Estos pilares sirven como punto de referencia para calcular la eficacia de los procedimientos de refuerzo empleados (Figura 23).

Figura 23. Pilares de referencia. Pilar Ferralla_1 y Ferralla_2. PILARES MONOLÍTICOS Para simular el caso ideal de adherencia perfecta entre el pilar antiguo y la camisa de refuerzo, se han proyectado dos pilares monolíticos (Ferralla_3 y Ferralla_4). Estos

18

pilares, hormigonados con un único material, contienen la armadura del pilar antiguo y del refuerzo. Son homólogos a los reforzados que se describen a continuación.

Figura 24. Pilares monolíticos. Pilar Ferralla_3 y Ferralla_4. La sección de los pilares reforzados es de 30 x 30 cm2, las armaduras longitudinales tanto del pilar antiguo como del refuerzo son 4 ø12 respectivamente. Los cercos en el núcleo de ambos pilares son de ø6 cada 20cm. Los cercos del refuerzo del pilar Ferralla_3 (homólogo al refuerzo de la nueva propuesta), son de ø10 cada 5 cm en las zonas de extremo y de ø10 cada 20 cm en la zona central; y en el Ferralla_4 (homólogo al refuerzo de sección compuesta), son de ø6 cada 20 cm en toda la altura. PILARES REFORZADOS Los pilares que se ensayarán reforzados son tres, de los cuales, dos se reforzarán según la nueva propuesta (la diferencia está en el pilar) y el tercero se hace mediante el procedimiento de sección compuesta (entrada en carga directa del refuerzo). Los pilares reforzados tienen unas holguras o separaciones en los extremos, para simular el efecto de asentamiento plástico y retracción que ocurre en la práctica. Los dos pilares antiguos que se refuerzan son homólogos a los dos pilares antiguos de referencia. El espesor de la camisa es de 5 cm y se materializa con un microhormigón de altas prestaciones. Las armaduras longitudinales tanto del pilar antiguo como del refuerzo son 4 ø12 respectivamente, y los cercos del núcleo son de ø6 cada 20cm. Los cercos del refuerzo son de ø10 cada 5 cm en las zonas de extremo y de ø10 cada 20 cm en la zona central (Figura 24). Estos cercos están formados por 2 úes que se solapan en toda la longitud de la rama, y se disponen contrapeados para evitar la falla en efecto cremallera (plano único de fisuración vertical).

19

Figura 25. Pilares reforzados. Pilar Ferralla_5 y Ferralla_6.

El pilar Ferralla_7 se refuerza con un encamisado que toca el forjado, y sus armaduras longitudinales de refuerzo se anclan en el mismo en taladros rellenos con resina epoxi. Las armaduras longitudinales de refuerzo son 4 ø12, y la transversal de cercos de ø6 cada 20 cm en toda la altura. Las úes se solapan y contrapean como en el caso de los pilares reforzados con la nueva propuesta.

Figura 26. Pilares reforzados. Pilar Ferralla_7

20

6.2 Modo de Ensayo Las piezas antiguas sin refuerzo, monolíticas y antiguas en espera de ser reforzadas, ya han sido hormigonadas. Actualmente se están tomando registros continuos (cada hora) y manuales (casi a diario) de deformación debido al fenómeno de la retracción.

Figura 27. Vista de los pilares junto los equipos que conforman el sistema de adquisición de datos Todos los pilares se ensayarán hasta la rotura a axil centrado. Los pilares reforzados se someterán a una precarga igual al 60% del axil de servicio cuando aún no se les haya aplicado el refuerzo. Esta carga se mantendrá durante un cierto período de tiempo luego se reforzarán y finalmente transcurrido otro cierto tiempo se ensayarán a rotura. La precarga se aplica de manera indirecta a través de un sistema de sombreros metálicos y de un par de barras de lisas de pretensado dispuestas exteriormente a las piezas.

6.3 Instrumentación Debido a la complejidad del fenómeno de transferencia de carga del pilar antiguo al refuerzo se ha decidido desarrollar una extensa instrumentación en la zona de introducción de la carga. Las piezas a ensayar se instrumentan en las barras de armadura, tanto transversal como longitudinal, y en las caras exteriores de las piezas, tanto del pilar antiguo como del refuerzo. La instrumentación interior consta de bandas extesométricas pegadas a las armaduras, y la exterior está formada por bases de medida manuales, bandas pegadas a la superficie del hormigón, LVDT’s y extensómetros, que recogen la deformación global de las piezas a ensayar.

7 Consideraciones finales Se ha presentado un nuevo enfoque de la antigua técnica de reforzar pilares de hormigón mediante encamisado.

21

Las novedades consisten, desde el punto de vista práctico: En el empleo de microhormigones autocompactantes (disponibles con carácter

general en el mercado) En que no es necesario anclar armadura longitudinal alguna a la parte superior o la

inferior Que no es necesario efectuar tratamiento alguno relativo a la rugosidad de la

superficie Que no es necesario soldar los cercos en el encamisado

Desde el punto de vista metodológico: Se identifican explícitamente los fenómenos físicos movilizados

La propuesta se aplica a pilares de edificación sometidos a compresión simple o compuesta bajo la acción predominante de cargas estáticas. Bibliografía

1. C.E.B., Bulletin 167. Assesment of Concrete Structures and Design. Procedures for Upgrading (Redesign). Bulletin 167. Vol. 1. 1983, Praga: C.E.B. 288p.

2. Ramírez, J.L., et al. Concrete columns short repair for total strength loss. in Structural faults + repair - 93. 1993. Labein, Bilbao, Spain.

3. Júlio, E.S., F. Franco, and V.D. Silva, Structural Rehabilitation of Columns with Reinforced Concrete Jacketing, in Progress in Structural Engineering and Materials, John Wiley & Sons Ltd. 2003. p. 29-37.

4. Morano, S.G., Il consolidamento e la riparazione di strutture in c.a. con malta a base cementizia. Riflessioni sul comportamento statico e verifiche con il metodo degli stati limite. 1998. p. 442-455.

5. Specht, M., K. Schade, and P. Nehls, Instandsetzung zweier schornsteine aus tonerdezementbeton. Bautechnik, 1986. 63: p. 109-116.

6. Río Bueno, A.d., Aportaciones al refuerzo de estructuras de hormigón armado de edificación, in ETS de Arquitectura. 1987, Universidad Politécnica de Madrid: Madrid.

7. Ramírez Ortiz, J.L., J.M. Barcena Diaz, and J.M. Feijoo Gil, Eficacia resistente de pilares de hormigón armado de baja calidad reforzados por dos procedimientos diferentes. Informes de la Construcción, 1975. 272: p. 89-98.

8. Ramírez Ortiz, J.L., J.M. Barcena Diaz, and J.M. Feijoo Gil, Comparación resistente de cuatro métodos de refuerzo de pilares de hormigón armado. Informes de la Construcción, 1977. 290: p. 57-68.

9. Krause, H.-J., Zum Tragverhalten und zur bemessung nachtrÄglich verstärkter stahlbetonstützen under zentrischer belastung. 1993: Alemania. p. 205.

10. Schäfer, H.G. and G. Bäätjer, Bemessung von spritzbetonverstärkten Stahlbetonbauteilen. Vortrag auf der Fachveranstaltung Verstärkung von Stahlbetonkonstruktionen. Von Haus der Technik e. V. 1992.

11. Wörner, R., Verstärkung von Stahlbetonbauteilen mit Spritzbeton. 1994, Universität Fridericiana zu Karlsruhe. p. 283.

12. Kerkeni, N., Zur Anwendung der FE-Methode bei stpritzbetonverstärkten Stützen, in Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. 2000, RWTH Aachen: Aachen. p. P.208.

22

13. Li, B., Spritzbetonverstärkte Stahlbetonstützen, in Der Fakultät Bauwesen der Universität Dortmund genehmigte. 2001: Dortmund.

14. Espeche, A., Refuerzo de pilares con encamisado de hormigón solicitados a axil centrado. 2007: Grupo Hormigón Estructural. Universidad Politécnica de Madrid.