Diseño Técnico de Pernos de Anclaje al Concreto y Desarrollo de un Programa de Aplicación.

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1 Diseño Técnico de Pernos de Anclaje al Concreto y Desarrollo de un Programa de Aplicación

2 INTRODUCCIÓN En la visita a diferentes obras en construcción durante el desarrollo de nuestros estudios y la participación en la socialización de diferentes proyectos hemos podido notar los siguientes aspectos en la utilización de los sistemas de anclaje: Empleo muy usual de este tipo de elementos. Dificultad para fiscalizar en base a normas nacionales. Empleo en base a datos de fabricantes. Subutilización de las características de los sistemas. No utilización de la gama de alternativas por desconocimiento o costumbre de empleo de un determinado sistema. Steel failure

3 AGENDA

4 Capítulo I CAPÍTULO I ANTECEDENTES Y GENERALIDADES Hasta la década de los 70 del siglo pasado no existía una reglamentación para el empleo estructural de los sistemas de anclaje al concreto. Con los avances en los códigos europeos y producto de investigaciones realizadas por el Comité ACI 355, en el año 2002 se incluye el Apéndice D referente a estos sistemas en el Código ACI 318 de Hormigón Estructural. Los últimos estudios encabezados por los profesores Richard Klingner y Rolf Eligehausen proponen nuevos conceptos plasmados en el Código ACI 318-08 (Método Concrete Capacity Desing).

5 CAPÍTULO I IMPORTANCIA Y ALCANCE La importancia del presente trabajo radica en la difusión de los métodos actuales del diseño de sistemas de anclaje al concreto que permitan generar la necesidad de reglamentar estas técnicas en los organismos competentes (CICE, CEC, INEN, etc.), en base a experiencias en el Ecuador, y poder utilizar estos elementos brindando seguridad a las diferentes estructuras en los proyectos que se ejecutan en nuestro país empleándolos de manera eficiente. Los resultados van encaminados a establecer mediante ensayos la validez de los criterios presentados por el Apéndice D del Reglamento para Concreto Estructural ACI 318-08 en cuanto a la relación del ángulo de fractura producido al fallar el concreto en el sistema de anclaje y su relación para el cálculo de la profundidad efectiva de embebimiento necesaria para soportar las solicitaciones actuantes en la estructura en diseño.

6 CAPÍTULO I OBJETIVO GENERAL Analizar y corroborar los nuevos estudios realizados para el cálculo, diseño y empleo óptimo de los sistemas de anclaje al concreto presentados en el Reglamento para Concreto Estructural del American Concrete Institute ACI 318S-08,en los estudios del Prof. Richard E. Klingner y del Prof. Rolf Eligehausen, tanto en sistemas fraguados en el concreto como de los instalados luego de curado, para difundirlos mediante un programa de aplicación que permita su diseño empleando los conocimientos producto de este estudio, generando en el futuro la necesidad de llevarlos a la experimentación y reglamentación por los organismos reguladores del medio de la construcción en el Ecuador como son el INEN y el Código Ecuatoriano de la Construcción.

7 CAPÍTULO I OBJETIVOS ESPECÍFICOS Analizar trabajos nuevos realizados por el ACI para el diseño de Anclajes al Concreto (Comités 318 para Concreto Estructural, 349 de Diseño Estructural de Plantas Nucleares de Concreto y el 355 de Anclajes para Concreto). Desarrollar un programa empleando los conocimientos obtenidos. Promover la actualización del CEC amparado en normativas nacionales creadas por el INEN.

8 Capítulo II CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO DEFINICIONES BÁSICAS ANCLAJE.- Un dispositivo de acero ya sea preinstalado antes de colocar el concreto, o postinstalado en un elemento de concreto endurecido y usado para transmitir fuerzas aplicadas, incluidos los tornillos con cabeza, los tornillos con extremo en forma de gancho ( J ó L), pernos con cabeza, anclajes de expansión o anclajes con sobre perforación en su base.

9 CAPÍTULO II PROFUNDIDAD EFECTIVA DE EMBEBIDO Profundidad total a través de la cual el anclaje transfiere fuerzas hacia o desde el concreto que lo rodea. La profundidad efectiva de embebido generalmente es la profundidad de la superficie de falla del concreto en las aplicaciones de tracción. Para tornillos con cabeza preinstalados y pernos con cabeza, la profundidad efectiva de embebido se mide desde la superficie de contacto de apoyo de la cabeza.

10 CAPÍTULO II MÉTODOS DE ASEGURAMIENTO Son las maneras como el anclaje transmite las cargas al concreto, estas pueden ser: Enclavamiento Mecánico o Mediante Base de Soporte Aseguramiento por fricción Enclavamiento Químico o por Adherencia

11 CAPÍTULO II CLASIFICACIÓN GENERAL Teniendo claro los conceptos anteriores pasaremos a estudiar los anclajes en si como un sistema, un conjunto de elementos de acero que permiten recibir o transmitir cargas al concreto. En el presente trabajo estudiaremos los dos grupos más utilizados: Anclaje Preinstalado o Sistemas hormigonados in situ (Cast-in-Anchor). Anclaje Postinstalado o Sistemas instalados en concreto endurecido (Post- installed anchor).

12 CAPÍTULO II SISTEMAS PREINSTALADOS SISTEMAS PREINSTALADOS EMBEBIDOS (NO REGULABLES) BULONES COMUNES BULONES TERMINADOS EN GANCHO ( "L" ó "J") BARRAS ROSCADAS ACERO DE ARMADURAS INSERTOS ROSCADOS PLACAS PARA SOLDADURA DE PERNOS CONEXIONES ABULONADAS ANCLAJES REGULABLES

13 CAPÍTULO II SISTEMAS POSTINSTALADOS ANCLAJES POSTINSTALADOS ANCLAJES CEMENTADOS ANCLAJES CEMENTADOS CON MORTERO (INORGÁNICOS) BULONES O ANCLAJES CON CABEZA ANCLAJES CEMENTADOS CON QUÍMICOS (ORGÁNICOS) CON BARRA ROSCADA CON BARRA CONFORMADA (ACERO PARA ARMADURAS) ANCLAJES DE EXPANSIÓN DE TORQUE CONTROLADO CON CAMISA (PARA CARGAS PESADAS) CON CAMISA CON CASQUILLO ANCLAJES DE CUÑA ANCLAJES DE EXPANSIÓN PARA ROCA/HORMIGÓN DE DEFORMACIÓN CONTROLADA ANCLAJES "DROP-IN"ANCLAJES AUTOPERFORANTESPERNOS DE ANCLAJEREBAJADOS CON ORIFICIO REBAJADO PERFORADO AUTOREBAJANTES

14 CAPÍTULO II MATERIALES BASE: CONCRETO RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Para sistemas de anclajes se recomienda concretos no fisurados con resistencias entre 140 y 700 kg/cm 2 y entre 210 y 550 kg/cm 2 para fisurados (Norma ASTM C39-INEN 1573:90). RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Esta característica del concreto no es de utilidad estudiada por separado, pues la resistencia a esta solicitación se la analiza en conjunto. Pero de los diferentes métodos para su cálculo se acepta valores entre 1/6 y 1/10 del valor de la resistencia a la compresión. AGREGADOS Para los sistemas de anclajes se recomienda concretos con agregados de diámetros grandes y con caras rugosas (Norma INEN 696).

15 CAPÍTULO II MATERIALES BASE: ACERO COMPOSICIÓN QUÍMICA Para los sistemas de anclajes se recomienda aceros dúctiles (alargamiento mayor al 14% antes de su fractura) con concentraciones de carbono entre 0.4% y 0.6% (aceros semiduros) cuando cumplen una función estructural, y aleado con otros elementos para protegerlo de ataques químicos y oxidación (zinc, azufre, etc.). RESISTENCIA A LA TRACCIÓN Esta característica es fundamental para el funcionamiento de los sistemas de anclaje. El ACI recomienda que la resistencia específica del acero a tracción f uta no debe superar al menor valor comparado entre la resistencia específica del acero del anclaje 1.9f ya y 860 MPa (Normas ASTM e INEN).

16 CAPÍTULO II MATERIALES BASE: LIGANTES MORTEROS DE RELLENO Son ligantes inorgánicos resultado de la mezcla de cementante, agua y agregados finos, pudiendo incluir aditivos según el sistema de anclaje en el cual va a ser empleado. Estos morteros presentan resistencias bajas en relación a los otros, su principal función es la adherencia entre el concreto y el acero. Logran resistencias sobre los 400 kg/cm 2, teniendo como limitante su consistencia y trabajabilidad, siendo más económica su preparación. GROUTS Son una mezcla de cementante y agua, con o sin agregados, dosificados para obtener una consistencia que permita su colocación sin que se produzca la segregación de sus constituyentes. Se rige a la norma ASTM C476 para lechadas de mampostería y fácilmente superan resistencias de 500 kg/cm 2 según sea su uso final.

17 CAPÍTULO II MATERIALES BASE: LIGANTES EPÓXICOS Son ligantes orgánicos producto de la unión de dos o más componentes, generalmente un polímero termoestable y un catalizador que permite su endurecimiento. Alcanzan resistencias a compresión mayores a 700 kg/cm 2 y sobre los 150 kg/cm 2 en tracción. En este campo podemos nombrar productos como el Sikadur 42 Anclaje de la fábrica Sika, el HIT RE 500 de la fábrica HILTI, entre muchas alternativas.

18 Capítulo I II CAPÍTULO III DISEÑO DE PERNOS DE ANCLAJE INTRODUCCIÓN: El presente estudio busca que el cálculo de pernos de anclaje se realice en base al método establecido por el Apéndice D del Reglamento para Concreto Estructural (ACI 318S-08) y los procedimientos del Dr. Eligehausen expresados en el libro “Anchorage in Concrete Construction”,

19 CAPÍTULO III MÉTODOS DE DISEÑO CCD 1990, en la Universidad de Texas, Austin, se mejoró el método KAPPA (K)= obteniendo el Método de Diseño por Capacidad del Concreto (Método CCD, según sus siglas en Inglés). KAPPA CCD 45°

20 CAPÍTULO III MÉTODOS DE DISEÑO ANÁLISIS DEL APÉNDICE D ACI 318-08 Se considera la mecánica de la fractura, en función de la profundidad efectiva de embebimiento elevada a la potencia 1,5 considerando un ángulo de fractura del concreto de 35° (h ef 1,5 ). (h ef 1,5 ).

21 CAPÍTULO III FACTORES PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE ANCLAJE Caso I Capítulo 9 del reglamento ACI-318S-08 CasoII Apéndice C del ACI 318S- 08

22 CAPÍTULO III RESISTENCIA DEL CONCRETO El esfuerzo que admite el concreto en la porción empotrada del anclaje depende de:  La longitud de empotramiento  La proximidad de otros anclajes  La distancia a los bordes libres  Las características del extremo empotrado del anclaje

23 CAPÍTULO III CAPACIDAD A TRACCIÓN

24 CAPÍTULO III CAPACIDAD A TRACCIÓN Factores de modificación Ψ ed,N = para la resistencia a tracción de anclajes con base en la proximidad a los bordes. Ψ c,N = para la resistencia a tracción de anclajes con base en las fisuras del concreto. Ψ c,N = 1.25 anclajes preinstalados Ψ c,N = 1.40 anclajes postinstalados Ψ cp,N = para la resistencia a tracción de anclajes postinstalados utilizados en concreto.

25 CAPÍTULO III CAPACIDAD A TRACCIÓN Factores de modificación Ψ ec,N = para la resistencia a tracción de anclajes con base en la excentricidad de las cargas aplicadas N b = resistencia básica al arrancamiento del concreto en tracción de un solo anclaje en concreto fisurado.

26 CAPÍTULO III CAPACIDAD A TRACCIÓN AL DESPRENDIMIENTO

27 CAPÍTULO III CAPACIDAD A CORTANTE Resistencia al arrancamiento del concreto de un anclaje sometido a cortante:

28 CAPÍTULO III CAPACIDAD A CORTANTE FACTORES DE MODIFICACIÓN Ψ ed,V =para la resistencia a cortante de anclajes con base en la proximidad a los bordes. Ψ c,v = para resistencia a cortante de anclajes con base en la presencia o ausencia de fisuras en el concreto y la de refuerzo suplementario. Ψ c,V = 1.10 concreto fisurado, sin refuerzo suplemt. Ψ c,V = 1.20 concreto fisurado con refuerzo. Ψ c,V = 1.40 concreto fisurado con refurzo, y confinado por estribos, espaciados 100 mm. Ψ c,V = 1.40 concreto no fisurado

29 CAPÍTULO III CAPACIDAD A CORTANTE FACTORES DE MODIFICACIÓN Ψ ec,V =para la resistencia a cortante de anclajes con base en la excentricidad de las cargas. Ψ h,V =para la resistencia a cortante de anclajes colocados en elementos de concreto con h a <1.5c a1

30 CAPÍTULO III CAPACIDAD A CORTANTE V b = resistencia básica al arrancamiento por cortante. lele

31 CAPÍTULO III RESISTENCIA AL CABECEO DESPRENDIMIENTO DEL CONCRETO POR CABECEO DEL ANCLAJE SOMETIDO A CORTANTE: (a) para un solo anclaje V cp = k cp N cb (b) para un grupo de anclajes V cpg = k cp N cbg Sih ef <65 mm.k cp = 1.0 Si h ef ≥ 65 mm.k cp = 2.0

32 CAPÍTULO III RESISTENCIA DEL ACERO

33 CAPÍTULO III INTERACCIÓN ACERO - CONCRETO Resistencia a la extracción por deslizamiento de un anclaje en tracción: N pn =  c,P N p Para anclajes de pernos con cabeza y tornillos con cabeza individuales N p = 8A brg f’ c Para pernos individuales con extremo en forma de L ó J, Np=0.9 f’ c e h d a

34 CAPÍTULO III SEPARACIÓN A CARAS LIBRES Para evitar las fallas por hendimientos, se debe tomar en cuenta las distancias mínimas requeridas del anclaje hacia el borde, el espaciamiento entre anclajes, y el espesor del concreto El espaciamiento mínimo entre centro y centro 4d a para anclajes preinstalados no sometidos a torsión, y 6 d a para anclajes preinstalados y postinstalados sometidos a torsión. la distancia mínima al borde no debe ser menor de: Anclajes con sobre perforación en su base 6d a Anclajes controlados por torque 8d a Anclajes controlados por desplazamiento 10d a distancia crítica de borde, c ac, no debe tomarse menor que: Anclajes con sobre perforación en su base 2.5h ef Anclajes de torsión controlada 4.0 h ef Anclajes de desplazamiento controlado 4.0 h ef

35 Capítulo IV CAPÍTULO IV RECOLECCIÓN DE DATOS DE CAMPO Como recolección de datos se realizó lo siguiente:  25 ensayos de sistemas de anclajes con diferentes características para analizar el ángulo de fractura al fallar el concreto.  Ensayo de materiales al concreto, acero y epóxico.  Entrevista a seis profesionales como soporte teórico.

36 CAPÍTULO IV ENSAYO DE SISTEMAS DE ANCLAJE NORMA AC1 355-2 Y RECOMENDACIONES DE LA FÁBRICA HILTI

37 DIAMETRO DEL CILINDRO DIAMETRO DE PERNO ANGULO DE FALLA PROFUNDIDAD EFECTIVA hef kc TABLA 3.1 MÉTODO DE 45º MÉTODO CCD PACAL_1 RESISTENCIA PRÁCTICA A TRACCION cm.mm.ºcm.kg 20936573273,951464,161052,003770 20937573273,951464,161052,003780 2012355104677,072091,651486,003030 2012345104677,072091,651486,002940 2012355104677,072091,651486,002750 2012335104677,072091,651486,002360 15935573273,951464,161439,003320 15934573273,951464,161439,003320 15934573273,951464,161439,003430 151235573273,951464,161052,003490 151234573273,951464,161052,003550 151236573273,951464,161052,003490 401233573273,951464,161052,003690 CAPÍTULO IV RESULTADOS DE LOS ENSAYOS

38 CAPÍTULO IV ENSAYO DE COMPRESIÓN AL CONCRETO Norma ASTM C31 para Elaborar y Curar Probetas de Ensayo de Concreto y la norma ASTM C39 para el Método Estándar de Prueba de Resistencia a la Compresión de Probetas Cilíndricas de Concreto e INEN 1573. Cilindros 15x30, 20x40 y 35x40. ENSAYOS EDAD DEL CONCRETO RESISTENCIA PROBETA 1 (kg/cm 2 ) RESISTENCIA PROBETA 2 (kg/cm 2 ) RESISTENCIA PROMEDIO (kg/cm 2 ) 3239252245,5 14317320318,5 28364358361

39 CAPÍTULO IV ENSAYO DE TRACCIÓN Y CORTE AL ACERO Norma ASTM A307, F1554 para normar especificaciones para bulones y anclajes de acero, y la norma INEN 0109 para ensayos a tracción. Probetas de 10 cm.

40 CAPÍTULO IV RESULTADOS DE LOS ENSAYOS NUMERO DE MUESTRA DIAMETRO ALARGAMIENTO ÁREA EFECTIVA TIPO DE ACERO RESISTENCIA A TRACCION PESO DEL CABEZAL RESISTENCIA PURA A TRACCION RESISTENCIA UNITARIA ÚLTIMA EXPERIMENTAL RESISTENCIA UNITARIA ÚLTIMA TEÓRICA ASTM F 1554 cm.%cm 2 kg kg/cm 2 Kg/cm 2 10,840,930,40ANCLAJE A364380135424510572,45 4080-56330 20,841,130,40ANCLAJE A364460135432510771,70 30,840,920,40ANCLAJE A364330135419510447,92 40,841,170,40ANCLAJE A364360135422510522,64 51,237,280,87EJE A36580013556656480,45 61,237,470,87EJE A36575013556156423,25 71,216,490,81EJE A36545013553156568,73 81,216,210,81EJE A36566013555256828,26 91,216,330,81EJE A36567013555356840,62 NÚMERO DE PROBETA DIAMETRO TIPO DE ACERO ÁREA EFECTIVA CARGA A CORTE DEL PERNO ESFUERZO UNITARIO A CORTE ORD.cmcm 2 kgkg/cm 2 10,55EJE A360,177972,505487,98 20,55EJE A360,177975,005502,09 30,84HILTI A360,4022737,506817,92 40,84HILTI A360,4022741,506827,89 51,23EJE A360,8744642,505310,77 61,23EJE A360,8744685,005359,38

41 CAPÍTULO IV ENTREVISTAS Y ENCUESTAS NOMBRE DEL PROFESIONALÁMBITO DE EJERCICIO ING. PEDRO CABEZASJEFE DE CONSTRUCCIONES CEE ING. MARCELO ROMODOCENCIA - APLICACIÓN ING. CÉSAR MUÑOZDISEÑO – DPTO. TEC. CEE ING. GONZALO RIVASDISEÑO – DPTO. TEC. CEE ING. JOSÉ LOAYZAAPLICACIÓN – DPTO. CONST. CEE ING. ENRIQUE HIDALGOAPLICACIÓN – DPTO. OBRAS CIV. CEE

42 CAPÍTULO IV ENTREVISTAS Y ENCUESTAS ÁMBITO NÚMERO DE PREGUNTA Conocimiento general sobre sistemas de anclaje.1 – 2 – 3 Conocimiento sobre diseño y normativas.5 – 6 Conocimiento sobre aplicación de los sistemas.7 – 8 Necesidad de información.4 – 9 – 10

43 CAPÍTULO IV EJEMPLO DE PRESENTACIÓN DE RESULTADOS POBLACIÓNMUESTRASINOTOTAL PROFESIONALES9492294 ESTUDIANTES62501262 TOTAL14214156 PREGUNTA Nº 1 ¿Cree usted que los sistemas de anclaje son una alternativa estructuralmente eficiente y económicamente rentable de utilizar? 91% CONTESTARON SI 9% CONTESTARON NO FUENTE: Encuesta CEE y ESPE 2010. REALIZADO POR: Equipo de Investigadores ANALISIS: El 91%, de personal encuestado indica que los sistemas de anclaje son una alternativa estructuralmente eficiente y económicamente rentable de utilizar, mientras que en un 9% considera lo contrario, por lo que estudiar esta alternativa constructiva si refleja un alto interés entre los profesionales de la ingeniería civil.

44 Capítulo V CAPÍTULO V PROGRAMA DE APLICACIÓN INTRODUCCIÓN Calcula en forma automatizada, eficaz y eficiente, con todos los factores de modificación y reducción de capacidad que indica el ACI 318-08 en su Apéndice " D " CARACTERÍSTICAS DEL PROGRAMA DE APLICACIÓN Se lo realizó bajo la plataforma de la hoja electrónica de EXCEL. Para su configuración se utilizaron las diferente funciones lógicas y fórmulas matemáticas. Las hojas están interconectadas por hipervínculos, formulas y gráficas.

45 CAPÍTULO V PROGRAMA DE APLICACIÓN FLUJO GRAMA

46 CAPÍTULO V PROGRAMA DE APLICACIÓN EJECUCIÓN  El pre dimensionamiento nos da una noción de las posibilidades de anclaje de la pieza de concreto.  Los datos obtenidos nos dan las dimensiones del diámetro menor del acero, y de la resistencia última del concreto,  Permiten encontrar el equilibrio entre dimensión y costo, evitando un sobredimensionamiento innecesario ante la solicitación de carga para un anclaje.

47 Capítulo VI CAPÍTULO VI CONCLUSIONES SOBRE MÉTODOS:  Él método de cálculo CCD que consta en el reglamento ACI 318S-08 con aplicación de un ángulo de falla de 35° permite obtener valores más seguros.  El cálculo de los sistemas de anclajes de acero al concreto por el método de 45° arroja valores demasiado cercanos al valor de resistencia última.  La aplicación del método automatizado mediante el programa pacal_01 sugerido en el presente trabajo, aplica todos los coeficientes considerados en el ACI 318-08.