Introducción
En este artículo, presentamos un estudio de ensayo unitario dirigido a la verificación 3D-CSFM del comportamiento de arrancamiento de anclajes de hormigón mediante una comparación directa con resultados experimentales[1]. El objetivo de nuestra investigación es evaluar la capacidad predictiva de los modelos numéricos para captar los aspectos clave del comportamiento de los anclajes, incluidos los modos de fallo y la capacidad última. Nuestro estudio abarca una amplia gama de diámetros de anclaje, desde 10 mm hasta 32 mm, lo que refleja la variabilidad encontrada en escenarios prácticos de ingeniería. Esto nos permite discernir cualquier tendencia dependiente del diámetro y evaluar la solidez de 3D-CSFM a diferentes escalas. Cabe destacar que todas las simulaciones se realizan con 3D-CSFM, un método implementado en IDEA StatiCa Detail, utilizando la configuración predeterminada para todos los parámetros.
Definición de los modos de fallo
Para evaluar el rendimiento del 3D-CSFM en el modelado de anclajes adheridos post-instalados, debemos considerar dos modos de fallo: pull-out, donde la tensión de adherencia (τb) es igual a la tensión de adherencia de diseño (τbd), y yielding del propio anclaje, lo que significa que se alcanza la deformación plástica límite.
Ensayo unitario
En este estudio, los anclajes Hilti HIT-RE500 - SD Mortero Inyectable con Refuerzo (500B) se modelaron en IDEA StatiCa Detail y los resultados se compararon con los datos experimentales[1].
Las dimensiones de los bloques de hormigón y su refuerzo se consideraron cuidadosamente para mitigar cualquier efecto potencial sobre el comportamiento de arrancamiento, asegurando así la validez de los resultados experimentales[1]. Se utilizó un tamaño de bloque de hormigón para todos los ensayos de unidades de anclaje (1,0x1,0x0,5 m; AnxPxAl). El bloque se reforzó con barras de acero B 500B y diámetro de 8-14 mm. 8 capas de barras alrededor de cada superficie (excepto en la superficie inferior, las barras de refuerzo se modelan como continuas a través del soporte inferior) con una distancia entre capas de 135,0 mm. Se respetaron rigurosamente todos los factores de seguridad prescritos por los códigos de construcción pertinentes, empleándose un ajuste de 1,0 en todos los cálculos. El tamaño del orificio del anclaje en comparación con el diámetro del propio anclaje no se consideró explícitamente en el modelo de cálculo.
\Fig. 1.1 Vista lateral de un bloque de hormigón armado con anclaje encolado.
\Fig. 1.2 Vista de un bloque de hormigón armado con anclaje resaltado. El diámetro del anclaje es de 16 mm.]
La resistencia de adherencia del anclaje, un parámetro crítico en el diseño de anclajes, se determinó en 15,4 MPa según la consideración de los experimentos[1], y en 12,0 MPa para el segundo modelo de verificación. Asimismo, según el experimento, se determinó de forma coherente la longitud de empotramiento del anclaje en el bloque de hormigón. En el modelo se consideró la longitud adicional de 50 mm del anclaje por encima del bloque de hormigón al que se aplicó la fuerza de tracción axial. En este ensayo se compararon anclajes con un diámetro de 10 mm, 12 mm, 16 mm, 20 mm, 25 mm y 32 mm con los resultados experimentales. Los montajes experimentales se resumen en la Tabla 2.2.
Utilizando un modelo 3D-CSFM Solid Block, el análisis abarca un examen exhaustivo de diversos aspectos, incluidas las características de extracción de los anclajes, la determinación de los umbrales de carga crítica y la predicción matizada de los modos de fallo.
Propiedades de los materiales
Las propiedades de los materiales del hormigón, la armadura y el anclaje utilizados en el análisis CSFM se resumen en la Tabla 2.2. La tensión de fluencia (\(f_{yk}\)) y la tensión de rotura (\(k \times f_{yk}\)) de la armadura, así como la resistencia a la compresión (\(f_{ck}\)), la deformación plástica (\(\epsilon_{c2}\)), y la deformación plástica límite (\(\epsilon_{cu2}\)) del hormigón, se seleccionaron basándose en las condiciones anotadas en los comentarios del experimento. La resistencia de adherencia también está especificada por el fabricante en el prospecto facilitado.
\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.3 Diagramas tensión-deformación de los materiales: (a) Diagrama tensión-deformación de la armadura B 500B, (b) Diagrama tensión-deformación del hormigón C30/37 }}]
Comparación con los resultados experimentales
En esta sección se comparan los resultados experimentales del fabricante con las cargas últimas y los modos de fallo predichos por el 3D-CSFM. Se cotejaron seis casos de carga límite de extracción, correspondientes a varios diámetros de anclaje, con los resultados del 3D-CSFM. Además, se determinó un modo de fallo específico para cada diámetro de anclaje.
Modos de fallo y cargas últimas
La tabla 2.4 presenta un resumen exhaustivo de las cargas últimas registradas en las pruebas experimentales (Pu,exp) y las predichas por el 3D-CSFM (Pu,3D-CSFM), junto con los modos de fallo correspondientes. Los coeficientes superiores a uno indican que las predicciones del modelo son conservadoramente superiores a los valores medidos. Como se muestra en la Tabla 2.4, los modos de fallo primarios predichos por todos los análisis 3D-CSFM coinciden con los resultados experimentales, aunque se observan algunas discrepancias en subtipos de fallo específicos para diámetros mayores. Las predicciones 3D-CSFM son generalmente exactas, con tendencias ligeramente conservadoras indicadas por ratios superiores al 100% para los diámetros mayores.
Además, se calcularon y añadieron a la tabla los valores de (\(P_{u,bar}\)) y (\(P_{u,bond}\)).
\(P_{u,bar}=A_{bar}\cdot k \cdot f_{yk}\)
\(P_{u,bond}=C_{bar}\cdot l_{bar} \cdot \tau_{bd})
Donde (\(A_{bar}\)) es el área del anclaje, (\(C_{bar}\)) es la circunferencia del anclaje, y (\(l_{bar}\)) es la longitud del anclaje en el hormigón.
Se puede ver, a partir de los valores presentados anteriormente, que el experimento se establece para demostrar que el solucionador es capaz de calcular correctamente combinado Pull-out y YA mods de fallo.
Además, los mismos modelos con la fuerza de adherencia de (\(\tau_{bd} = 12,0 MPa\)) se calcularon y se compararon con los valores determinados analíticamente de (\(P_{u,bond}\)).
La Figura 1.4 corrobora los resultados indicados en la Tabla 2.4 al mostrar que se alcanza la capacidad total de tensión de unión así como la deformación límite, lo que en consecuencia lleva a identificar el modo de fallo como Arranque y YA.
\Fig. 1.4 Anclaje 16 mm: Valor de comprobación de la deformación (izquierda) y tensión de adherencia (derecha) }}}]
\Fig. 1.5 Anclaje 32 mm: Vista del flujo de tensiones.
\Fig. 1.6 Anclaje 25 mm: Tensión en la armadura }}}]
\Fig. 1.7 Anclaje 20 mm: Deformación en la armadura }}}]
Conclusión
La comparación entre los datos experimentales[1] y la versión beta del 3D-CSFM indica una correlación satisfactoria. Las principales conclusiones de esta evaluación preliminar son las siguientes:
- Se ha establecido una fuerte correlación para todos los anclajes, evidente en los modos de fallo observados en los modelos y en los valores de las cargas últimas.
- Aunque el 3D-CSFM se encuentra todavía en fase beta, su concordancia con los resultados experimentales pone de manifiesto su utilidad potencial. Esta concordancia proporciona cierta validación de la eficacia de la herramienta, aunque debe interpretarse con cautela dado su estado de desarrollo.
Referencias
[1] - HILTI. Hilti HIT - RE500 - Mortero inyectable SD con armadura (500B). HILTI CORPORATION. Https://www.hilti.com.hk/ [en línea]. 2016 [cit. 2024-04-22]. Disponible en: https://www.hilti.com.hk/medias/sys_master/documents/h86/h89/9485674512414/Submittal-ASSET-DOC-LOC-8336225.pdf