ESTUDIO EXPERIMENTAL SOBRE LA RESISTENCIA AL ARRANCAMIENTO DE PLACAS METÁLICAS DE ANCLAJE EN PANELES PREFABRICADOS DE HORMIGÓN ARMADO

R. Porras-Soriano*, J.R. Carmona, G. Ruiz y X.X. Zhang

E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos.

Universidad de Castilla-la Mancha. Avda. Camilo José Cela s/n, 13071 Ciudad Real, Spain

*Correo-e: rocio.porras@uclm.es

RESUMEN Este artículo presenta una investigación experimental para estudiar la sensibilidad de cuatro tipos de anclaje, utilizados en paneles prefabricados de fachada, frente a la dirección de aplicación de la carga y las condiciones de contorno. Para cada uno de los anclajes ensayados se planificaron dos ensayos distintos en función de la dirección de aplicación de la carga: dos cargas de cortante en distintas direcciones o una carga de cortante y una de tracción respectivamente. Se observó que la geometría y condiciones de contorno tienen mucha influencia en la resistencia del anclaje. Específica-mente, la mayoría de los anclajes resisten más frente a cargas de cortante aplicadas paralelas al borde del hormigón que cuando estas se aplican perpendiculares al mismo. Los resultados obtenidos proporcionan una valiosa información so-bre los mecanismos de fallo de los anclajes ensayados. Además, los resultados pueden usarse para validar métodos numéricos que pueden reducir las incertidumbres inherentes a los métodos de cálculo clásicos.

ABSTRACT This paper presents an experimental investigation to study the sensitivity of four types of anchor plates, used in precast facade panels, to load direction and boundary conditions. Two different load cases were planned for each anchor type of anchorage: two shear loads or a shear load and a tensile load respectively. It was observed that the geometry and boun-dary conditions are highly influential on the anchorage strength. Specifically, most of the connections resist more shear load when it is applied along the edge of the panel rather than when it is applied tangentially to the edge. These results provide valuable information on the failure mechanisms of the types of anchorages tested. Besides, they can be used to validate numerical calculation methods that may reduce the uncertainties inherent to classical ones. PALABRAS CLAVE: Hormigón, anclajes, paneles. 1. INTRODUCCIÓN El uso de paneles de fachada prefabricados en fachadas implica el empleo de elementos de anclaje para unir los paneles entre si y con la estructura. Dichos elementos de anclaje, por lo general, están compuestos por unas placas metálicas a las que se sueldan unas varillas de acero corrugado que quedan embebidas en el hor-migón. Una vez colocados en la estructura, los anclajes pueden estar sometidos tanto a cargas de cortante, como de tracción o una combinación de ambas. Las cargas aplicadas sobre el anclaje pueden dar lugar a un fallo complejo del sistema, bien sea por agrietamiento o por arrancamiento del hormigón circundante, como por el fallo de los cordones de soldadura o por cedencia de las patillas de acero [1]. Para logar un diseño satisfactorio, el proyectista debe entender el funcionamiento de los sistemas de unión con el fin de llegar a un diseño y una construcción efectivos atendiendo al estado límite de servicio y al estado límite último. Por lo general los métodos de cálculo para los sistemas de anclaje con placas metálicas son bastante conserva-dores debido a la diferente casuística que existe y difi-cultad de análisis dado la complejidad del funciona-miento de los anclajes. Por ello es fundamental realizar ensayos de los anclajes reproduciendo sus condiciones de contorno y carga y de esta forma analizar su com-portamiento real. Asimismo estos ensayos también sirven para validar métodos para evaluar su capacidad de carga. Con este doble objetivo se planteó la campa-ña experimental que se presenta en este documento.

Este artículo está organizado en 4 secciones. En la número 2 presentamos el planteamiento de la campaña experimental realizada, tanto para la caracterización mecánica de los materiales como para los ensayos de arrancamiento de los anclajes. En la sección 3 expo-nemos resultados ambas campañas experimentales. Y por último, en la sección 4, extraemos las conclusiones más relevantes del estudio realizado.

2. DISEÑO DE LA CAMPAÑA EXPERIMEN-

TAL La campaña experimental presentada estudia la sensibi-lidad de cuatro tipos de anclaje respecto de la carga aplicada y de las condiciones de contorno. Los tipos de anclaje son: o Anclaje DE, representado en la Fig. 1.a; está for-mado por una placa cuadrada de 100 mm de lado con un espesor de 8 mm. A dicha placa están soldadas cuatro patillas de 343 mm de longitud de acero corru-gado ∅8, que quedan embebidas en el hormigón hasta una profundidad de 48 mm. Dichas patillas están do-bladas 90º, con un radio de 19 mm, de forma que los primeros 38 mm desde la soldadura quedan perpendi-culares a la placa de acero y el resto paralelo a la super-ficie de hormigón. Las patillas están soldadas a 25 mm del borde de la placa. El anclaje está dispuesto en el borde del panel de hormigón armado (ver Fig. 1.a), se aplican dos tipos de casos de carga: una carga perpen-dicular al bode del hormigón (V1), y una carga rasante paralela al borde del hormigón (V2).

o Anclaje AL, representado en la Fig. 1.b; está for-mado por un corte de 10 cm de longitud de un angular PN de 70 mm, y cuatro patillas rectas de acero corru-gado ∅8, que quedan embebidas en el hormigón hasta una profundidad de 350 mm. Dichas patillas van sol-dadas a la placa, dispuestas en forma de rectángulo de 56x38 mm2 situado a 20 mm del borde de la placa. Se aplican dos condiciones de carga, ambas rasantes: una carga perpendicular al borde del hormigón (V1), y una carga paralela al borde del hormigón (V2). o Anclaje D15, representado en la Fig. 1.c; similar al anclaje DE, está formado por una placa cuadrada de 150 mm de lado con un espesor de 8 mm. A dicha placa están soldadas cuatro patillas de 335 mm de longitud de acero corrugado ∅8, dispuestas igual que en el anclaje DE. Se aplican dos casos de carga: una carga de tracción (T) y una carga de cortante perpendi-cular al borde del hormigón (V). o Anclaje D10, representado en la Fig. 1.c; similar al anclaje DE excepto las patillas, está formado por una placa cuadrada de 100 mm de lado con un espesor de 8 mm a la que se han soldado dos barras de acero corru-gado ∅8 dispuestas a modo de arco. Estas llegan a una profundidad en el panel de hormigón de 76 mm. Están soldadas a una distancia del borde de la placa de 20 mm. Se aplican dos condiciones de carga, ambas rasan-tes: una carga perpendicular al borde del hormigón (V1), y una carga paralela al borde del hormigón (V2). Los paneles, que tenían un espesor de 120 mm, estaban fabricados con hormigón reforzado con dos capas de barras de acero corrugado ∅6 a 15 mm en el área dónde queda colocado el anclaje. Para aplicar la carga según las condiciones de contorno y direcciones desea-das, se diseñaron 3 tipos de probetas distintos, como se puede ver en la Fig. 1. 2.1. Ensayos de caracterización de materiales Para caracterizar mecánicamente el hormigón emplea-do realizamos 6 ensayos de compresión y de módulo de elasticidad, de acuerdo con las especificaciones de las Normas UNE-EN 12390-2:2001 y 12390-3:2003 [2]. Asimismo, realizamos otros 6 ensayos de tracción indirecta (brasileños) para determinar la resistencia a tracción del hormigón, de acuerdo con las especifica-ciones de la Norma UNE-EN 12390-6:2001 [2]. Medimos la energía de fractura del hormigón realizan-do 8 ensayos siguiendo el procedimiento de ensayo recomendado por la RILEM [3] con las mejoras pro-puestas por Planas, Guinea y Elices [4-6]. Se trata de un ensayo de flexión en tres puntos sobre probeta prismática (100x100x400 mm) entallada en la sección central hasta la mitad del canto. Para caracterizar el acero realizamos 7 ensayos a trac-ción directa de las barras de armado utilizadas, de acuerdo con las especificaciones de las Normas UNE-EN ISO 15630-1:2003. Las probetas tenían una longi-tud total de 500 mm, la distancia ente mordazas era de 250 mm y la longitud calibrada inicial era de 50 mm. Por último para caracterizar la intercara hormigón-acero realizamos un total de 8 ensayos de arrancamien-to. Los ensayos fueron realizados sobre probetas prismáticas de 100 x 100 x 100 mm con una barra

embebida en su eje longitudinal. Con el fin de mante-ner una distribución constante de la tensión la zona de adherencia se limitó a 40 mm. El desplazamiento rela-tivo entre el hormigón y el acero fue medido en la parte inferior de la probeta con el fin de evitar la componente elástica de la deformación de la barra.

Figura 1. Geometría: a) Anclaje tipo DE; b) Anclaje tipo AL; c) Anclaje tipo D15 y d) Anclaje tipo D10. 2.2. Ensayos sobre los anclajes Todos los ensayos han sido realizados en el Laborato-rio de Materiales y Estructuras de la Escuela de Inge-nieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universi-dad de Castilla-La Mancha. Para medir la carga aplica-da sobre los anclajes se empleó una célula de carga de 1MN, modelo PCI 200 de la Compañía HBM con una resolución de 0.1 kN. Las probetas se anclaban me-diante pernos sujetos con tuercas a la losa de carga del laboratorio, de 1.10 m de espesor. Además, en el caso del ensayo a tracción sobre el anclaje D15, para sujetar la probeta se dispuso un marco metálico anclado tam-bién al suelo mediante cuatro pernos en las esquinas. El control de todos los ensayos se realizó en posición, empleando dos rangos de velocidad: una primera ram-pa de carga con una velocidad de 0.1 mm/min hasta los 11 mm, para asegurar una rotura casi estática y una

segunda rampa de velocidad más rápida que la anterior, 1.0 mm/min, hasta el final del ensayo. Durante los ensayos se registró de forma continuada la carga apli-cada. Para medir los desplazamientos se emplearon seis extensómetros inductivos LVDT (linear variable diffe-rencial transducers), modelo WA, HBM. Empleamos tres tipos distintos en función de sus rangos de medi-ción: el primero con un recorrido de ±25 mm, resolu-ción 2 µm, el segundo con un recorrido de ±20 mm, resolución 2 µm y el tercero con un recorrido de ±10 mm, resolución 2 µm. Estos dispositivos se emplearon para medir de forma continuada el desplazamiento del anclaje en la dirección y sentido de aplicación de la carga, el desplazamiento vertical de la probeta entera y el desplazamiento horizontal de la parte superior de la pobreta (giro) en los ensayos de cortante. El resultado de estas dos últimas mediciones fue nulo en todos los casos, por lo que se puede asegurar que no se produjo ningún desplazamiento de las probetas durante los ensayos. Además, mediante fotografías y vídeos, se registró la evolución de la fisuración de las probetas. De cada configuración de ensayo se ensayaron tres probetas. Por lo que la campaña consta de un total de 24 ensayos de arrancamiento de placas de anclaje. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE LA CAM-

PAÑA EXPERIMENTAL 3.1. Material En este apartado se muestran los resultados de los ensayos de caracterización llevados a cabo en el hor-migón y en el acero, así como en la intercara acero-hormigón. Los valores medios de los resultados de los ensayos de caracterización del hormigón se muestran en la Tabla 1 (módulo de elasticidad, Ec; resistencia a compresión, fc; resistencia a tracción indirecta, ft; energía de fractura, GF y longitud característica, lch. Además se indica la desviación estándar (DE) de cada valor). Tabla 1. Resultados de los ensayos de caracterización del hormigón.

Ec (GPa)

fc (MPa)

ft (MPa)

GF (N/m)

lch (mm)

Media 31 78 5.0 154 195 DE 4 7 0.2 27 -

Tabla 2. Resultados de los ensayos de caracterización del acero.

E (GPa)

σy0.2 (MPa)

σu (MPa)

εu (%) Media 210 586 694 16.8

DE 10 10 7 1.0

Los valores medios de los resultados de los ensayos de caracterización del acero se muestran en la Tabla 2 (módulo de elasticidad, E; límite elástico para una deformación del 0.2%, σy0.2; tensión última, σu y de-formación última, εu. Además se indica la desviación estándar (DE) de cada valor). El valor de la tensión de adherencia entre acero y hor-migón, determinado mediante ensayos de arrancamien-to de barras, es de 8.4 ± 1.1 MPa. 3.2. Resultados de los ensayos sobre los anclajes Durante la realización de los ensayos se registró la curva completa carga-desplazamiento. Todas estas curvas se recogen en al Fig. 2. Además se presenta la Tabla 3 en la que se recogen los valores de las cargas pico para cada uno de los ensayos realizados, que de forma gráfica se han representado en la Fig. 3. El valor más alto de la carga pico se obtiene para el anclaje AL cuando la carga es de tipo V2, es decir, paralela al borde del panel. Por otro lado, este tipo de anclaje responde muy mal a la carga tipo V1 que es la carga aplicada perpendicular al borde de hormigón, que resulta inferior al 20% de la anterior. Esto es razonable, puesto que en el ensayo AL-V1 el único mecanismo que está resistiendo la carga es la intercara acero-hormigón que rodea a las 4 patillas del anclaje. Tabla 3. Valores de las cargas máximas para cada ensayo.

ANCLAJE ENSAYO Pmáx (kN) DE-V1-1 39.4 DE-V1-2 37.8 DE-V1-3 41.0 DE-V2-1 56.4 DE-V2-2 49.5

DE

DE-V2-3 51.4 AL-V1-1 11.0 AL-V1-2 14.3 AL-V1-3 14.6 AL-V2-1 72.9 AL-V2-2 79.0

AL

AL-V2-3 73.0 T-D15-1 40.5 T-D15-2 47.0 T-D15-3 43.5 V-D15-1 71.1 V-D15-2 69.0

D15

V-D15-3 68.8 D10-V1-1 41.1 D10-V1-2 43.5 D10-V1-3 37.1 D10-V2-1 75.1 D10-V2-2 75.0

D10

D10-V2-3 71.5

Figura 2. Curvas carga-desplazamiento de todos los ensayos.

Las cargas máximas obtenidas para el anclaje D10 son similares a las cargas obtenidas para el anclaje tipo DE, para el caso de carga. La mayor diferencia reside en el comportamiento post-pico (ver Fig. 2), puesto que el anclaje tipo D10 presenta un comportamiento post-pico inestable. Bajo carga V1 el desplazamiento del punto de aplicación de la carga en carga máxima es muy similar en los anclajes DE y D10 (aproximadamente 1.5 mm). La carga de pico obtenida en el anclaje D10 para el caso de carga V1 está en torno al 50% de la obtenida en el caso de carga V2, mientras que en el caso del anclaje tipo DE este porcentaje alcanza el 75%. En el caso de carga V2 la carga obtenida con el anclaje D10 es mayor que con el DE, pero inferior a la obtenida con el anclaje tipo AL. En este caso de carga (V2) el comportamiento post-pico es inestable para el anclaje D10, así como para el AL. El desplazamiento del punto de aplicación de la carga en carga máxima es similar para los tres anclajes (DE, AL y D10), está en torno a los 5 mm.

Figura 3. Cargas pico media de los ensayos con carga V1 y V2 para los anclajes: DE, AL y D10. Por lo tanto cuando se planteen cargas de cortante per-pendiculares al borde de hormigón (V1) los anclajes recomendados son el D10 y el DE, nunca el AL. Para el caso de carga V2, atendiendo a criterios de carga máxi-ma, se recomienda el AL.

En cuanto al anclaje tipo D15 se observa que la carga máxima en tracción está en torno al 60% de la carga máxima a cortante. En el caso de la carga de tracción, la carga máxima obtenida está determinada por la plastifi-cación de sólo dos de las cuatro patillas, puesto que, a pesar de que la carga está centrada al inicio del ensayo, se vuelve excéntrica al comenzar la fisuración (ver Fig. 4). El desplazamiento del punto de aplicación de la carga en carga máxima es mayor para el caso de carga de cortante (≈7 mm) que para el caso de carga de tracción (≈2 mm).

Figura 4. Estado final del anclaje D15 tras ensayo a tracción. En todos los casos el fallo comenzó con la fisuración del hormigón, seguido del arrancamiento del cono de hormigón adyacente al anclaje. A esto siguió la ceden-cia de las patillas de acero, sólo en los casos que estas estuvieran a una profundidad suficiente que las mantu-viera embebidas, y en el caso contrario se produjo el arrancamiento total de las patillas. No falló ninguna soldadura. En la Fig. 5, a modo de ejemplo, se presenta una recopi-lación de fotografías dónde se puede apreciar el proceso de fisuración descrito en el párrafo anterior, para el caso del primer ensayo del anclaje DE sometido a una carga tipo V1.

0

20

40

60

80

100V1V2

V1

DE AL D15 D10

V1

V1

V1

V2

V2V V2

Figura 5. Evolución de la fisuración y fallo en el primer ensayo sobre en anclaje tipo DE con carga V1.

4. CONCLUSIONES En este artículo se presentan los resultados de una cam-paña experimental diseñada para evaluar el comporta-miento de anclajes usados en paneles prefabricados para fachadas de hormigón armado. Dicha campaña experi-mental consistió en el ensayo de 24 probetas, fabricadas con 4 tipos de anclaje diferentes (DE, AL, D15 y D10) y ensayadas bajo 4 distintas solicitaciones de carga, 2 por anclaje (V1, V2, T y V). Se hicieron tres ensayos igua-les para cada configuración. Los resultados de los ensayos muestran que la resisten-cia del anclaje está fuertemente determinada tanto por la geometría del mismo como por las condiciones de con-torno. Así pues, cuando la carga se aplica paralela al borde del hormigón (caso de carga V2) la resistencia del anclaje es mayor que cuando se aplica de forma perpen-dicular al mismo (caso de carga V1). En el caso de carga V2 se recomienda el empleo del anclaje tipo AL, por ser el que mayor valor de carga máxima alcanza. Para el caso de carga V1 son más convenientes los an-clajes DE y D10, que alcanzan un pico de carga superior al AL. No obstante, la disposición de las patillas en forma de arco, como es el caso del anclaje D10, a pesar de que da como resultado un valor elevado de carga máxima, presenta un comportamiento post-pico muy inestable bajo cargas tipo V2. El desplazamiento del punto de aplicación de la carga en carga máxima es similar para los anclajes DE, AL y D10. El anclaje D15 fue ensayado bajo cargas de tracción y de cortante respectivamente. La carga obtenida fue más elevada en el caso de carga por cortante que en el caso de carga de tracción. En el ensayo del anclaje D15 so-metido a carga de tracción sólo se produjo el fallo de dos de las cuatro patillas, puesto que, a pesar de que la carga está centrada al inicio el ensayo, ésta se vuelve excéntrica al comenzar la fisuración. Las desviaciones estándar de los resultados de los ensa-yos son bajas, por lo que se puede asegurar que se ha conseguido una buena repetitividad entre ensayos. Los resultados obtenidos en esta campaña experimental

ofrecen una muy valiosa información a cerca del meca-nismo de fallo de los tipos de anclaje estudiados. Además, estos resultados se pueden emplear para vali-dar modelos numéricos de cálculo, y reducir así la incer-tidumbre inherente a los métodos clásicos de cálculo. AGRADECIMIENTOS Los autores expresan su agradecimiento a la empresa INDAGSA por la financiación concedida para la reali-zación de esta campaña experimental. REFERENCIAS [1] E. Cziesielski, M. Friedmann. Load capacity of

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[5] J. Planas, M. Elices, G. V. Guinea. Measurement of

the fracture energy using 3-point bend test. 2. Influence of bulk energy dissipation, Materials and Structures, 25:305–312, 1992.

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