variaciÓn de la resistencia a compresiÓn y …cp2015/link/papers/6953.pdf · hoy en día el...
TRANSCRIPT
1
VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA A COMPRESIÓN Y MÓDULO ELÁSTICO DEL
CONCRETO POR ACCIÓN DEL FUEGO
DIEGO F. PÁEZ M. LINA Y. RODRIGUEZ C. DARUYN C. ROZO R.
Profesor-Investigador Escuela de Transporte y Vías Escuela de Transporte y Vías
Facultad de Ingenieria - UPTC [email protected] [email protected]
RESUMEN
Este artículo presenta los resultados de la variación de la resistencia a la compresión y módulo de elasticidad del
concreto después de ser expuesto a cambio térmico, de dos grupos de 12 especímenes cilíndricos de concreto con
diferente resistencia a la compresión, elaborados con agregado calcáreo y curados durante 28 días, empleando tiempos
de exposición de 30, 60 y 120 minutos y temperatura de exposición cercana a 600 °C, para observar el comportamiento
de las variables objeto de estudio, Los resultados mostraron una reducción significativa en la resistencia a la compresión
y del módulo de elasticidad de los especímenes de concreto, debido al aumento de la temperatura y el material de
agregado utilizado.
INTRODUCCIÓN
Fenómenos como los incendios provocan afectaciones severas que se manifiestan principalmente en variaciones en la
resistencia, comprometiendo la integridad de la estructura y la capacidad para soportar las solicitaciones para la cual
fue diseñada.
Hoy en día el reglamento colombiano de construcción sismo resistente NSR-10 y las normas técnicas colombianas
NTC, no han adoptado ningún tipo de criterio que abarque medidas preventivas contra fenómenos externos de alto
riesgo como incendios en estructuras de puentes y túneles; a excepción de las edificaciones según sea el tipo de
ocupación [2]. Después del año 1998, el reglamento colombiano de construcción sismo resistente NSR-10 empezó a
considerar requisitos de protección contra incendios en estas estructuras tradicionales, recapacitando en la seguridad de
los usuarios en caso que se presentara una situación de incendio.
Con base en estos requerimientos, este proyecto se encamina en determinar la influencia que tienen las altas
temperaturas sobre especímenes de concreto con resistencias a la compresión comúnmente usadas para la construcción
de estructuras de concreto, teniendo en cuenta las normas técnicas colombianas NTC editadas por el ICONTEC y el
reglamento colombiano de construcción sismo resistente NSR-10.
La influencia del cambio térmico fue analizada en función del tiempo de exposición de 30, 60 y 120 minutos sobre los
especímenes con diferentes resistencias, en donde los parámetros a evaluar serán la resistencia a la compresión y el
módulo de elasticidad después de ser sometidos los especímenes a temperaturas cercanas a los 600 °C.
Páez, D.; Rodríguez, L.; Rozo, C.
Variación de la resistencia a compresión y módulo elástico del concreto por acción del fuego
2
1. DESCRIPCIÓN DE LA METODOLOGÍA EXPERIMENTAL.
1.1. Materiales
Para la elaboración de los especímenes de concreto se contó con el apoyo de la empresa concretera HOLCIM Colombia
S.A. de la ciudad de Tunja, a quien se le solicitó 12 especímenes con resistencias a la compresión de 28 MPa y 12
especímenes con resistencia de 35 MPa, que para el desarrollo de este trabajo se denominaran dichas resistencias R1 y
R2 respectivamente, además se solicitó una muestra representativa del agregado al cual se le realizaron las pruebas de
caracterización según lo establecido en las normas técnicas colombianas NTC editadas por el ICONTEC.
El Cuadro 1 muestra los resultados de la prueba de fluorescencia de rayos X de una muestra pequeña donde se
determinó los componentes del agregado utilizado en la elaboración de los especímenes, este presentó propiedades y
componentes característicos de material con naturaleza calcárea al tener 70.6% de CaO.
Cuadro 1. Prueba de fluorescencia a los agregados.
1.2. Metodología experimental
Los especímenes fueron curados durante un periodo de 28 días, una vez trascurrido este tiempo fueron nombrados como
(Ei-Ti) en donde Ei identifica el orden del espécimen y Ti el tiempo de exposición al cambio térmico como se
representa en el Cuadro 2.
Cuadro 2. Nomenclatura de los especímenes.
Se sometieron estos especímenes a una temperatura de 600 °C utilizando una mufla termoeléctrica, teniendo en cuenta
periodos de exposición de 30, 60 y 120 minutos. Después de la exposición se realizó una evaluación física de cada uno
de los especímenes y posteriormente fueron llevados a la máquina Universal donde se efectuaron los ensayos de
Páez, D.; Rodríguez, L.; Rozo, C.
Variación de la resistencia a compresión y módulo elástico del concreto por acción del fuego
3
resistencia a la compresión y módulo de elasticidad sobre los especímenes de acuerdo a los grupos de cada tiempo de
exposición.
Finalmente con los resultados obtenidos, se realizó el análisis correspondiente a la variación de los especímenes
expuestos al cambio térmico en función de los datos del grupo patrón, además de una comparación con resultados
obtenidos con trabajos desarrollados anteriormente en la universidad.
2. RESULTADOS
2.1 Resultados del ensayo de resistencia a la compresión
Como se mencionó en el numeral 1.1 se solicitó a la empresa concretera especímenes con resistencias a la compresión
R1= 28 Mpa, y R2= 35 MPa, pero en los resultados del ensayo de resistencia a la compresión los valores promedio de
las muestras patrón fueron mayores, en este caso los especímenes con resistencia a la compresión R1 soportaron
esfuerzos cercanos a 37 MPa, mientras que los especímenes con resistencia R2 soportaron 45 MPa.
2.2.1 Resultados del ensayo de resistencia a la compresión de los especímenes de resistencia R1.
En la Figura 1 se muestra el comportamiento de la resistencia a la compresión y la pérdida de este valor a medida que
aumenta el tiempo de exposición al cambio térmico en los especímenes de resistencia R1, en donde presentaron
pérdidas hasta del 68% de resistencia a compresión.
Figura 1. Comportamiento Resistencia a Compresión especímenes de resistencia R1.
2.2.2 Resultados de los especímenes con resistencia a la compresión R2.
La Figura 2 muestra el comportamiento de los resultados obtenidos de resistencia a la compresión para cada grupo de
especímenes de resistencia R2, en donde el periodo más crítico y en donde pierde más resistencia el concreto, esta entre
los 30 y 60 minutos, después de este tiempo la perdida tiende a estabilizarse. Se resalta que después de 60 minutos de
exposición los especímenes pierden cerca del 67 % de la resistencia tomando como referencia los valores de resistencia
patrón.
Figura 2. . Comportamiento Resistencia a Compresión especímenes de resistencia R2.
0
10
20
30
40
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135
RES
ISTE
NC
IA A
LA
C
OM
PR
ESIÓ
N (
MP
a)
TIEMPO DE EXPOSICIÓN (MINUTOS)
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Vs TIEMPO DE EXPOSICIÓN A 600°C
0
20
40
60
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135RES
ISTE
NC
IA A
LA
C
OM
PR
ESIÓ
N (
MP
a)
TIEMPO DE EXPOSICIÓN (MINUTOS)
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Vs TIEMPO DE EXPOSICIÓN A 600°C
Páez, D.; Rodríguez, L.; Rozo, C.
Variación de la resistencia a compresión y módulo elástico del concreto por acción del fuego
4
2.3 Resultados del ensayo de módulo de elasticidad.
El módulo de elasticidad (E en Mpa) se determinó utilizando la ecuación 1, descrita en las normas técnicas que rigen en
Colombia. [3]
𝐸 =𝑆2−𝑆1
𝜀2−0.00005 (Ecuación 1)
Dónde:
Ec: Módulo de elasticidad en (MPa)
S2: Esfuerzo correspondiente al 40 % de la carga ultima.
S1: Esfuerzo correspondiente a la deformación longitudinal ε1, de las 50 millonésimas, en MPa.
Ε2: Deformación longitudinal producida por el esfuerzo S2.
2.3.1 Resultados del ensayo del módulo de elasticidad los especímenes con resistencia a la compresión R1.
En la Figura 3 se presenta el comportamiento del módulo de elasticidad en función del tiempo de exposición al cambio
térmico de cada grupo de especímenes de concreto con resistencia a la compresión R1, se observa también que la
variación del módulo de elasticidad pasados los 120 minutos de exposición llego a perder el 86 % respecto al valor del
módulo patrón, indicando que los especímenes pierden rigidez.
Figura 3. Comportamiento del módulo de elasticidad especímenes de resistencia R1
2.3.2 Resultados del ensayo del módulo de elasticidad los especímenes con resistencia a la compresión R2.
El módulo de elasticidad para los especímenes de resistencias R2 tuvieron un comportamiento diferente a los obtenidos
en los especímenes de resistencia R1, el modulo disminuyo de manera súbita su valor después de 60 minutos de
exposición a la temperatura de 600 °C y se estabilizó en los 120 minutos de exposición.
Figura 4: Comportamiento del módulo de elasticidad especímenes de resistencia R2.
0
10000
20000
30000
40000
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135
MO
DU
LO D
E EL
AST
ICID
AD
(M
Pa)
TIEMPO DE EXPOSICIÓN (MINUTOS)
MODULO DE ELASTICIDAD VS TIEMPO DE EXPOSICIÓN
0
10000
20000
30000
40000
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135
MÓ
DU
LO D
E EL
AST
ICID
AD
(M
pa)
TIEMPO DE EXPOSICIÓN (MINUTOS)
MÓDULO DE ELASTICIDAD Vs TIEMPO DE EXPOSICIÓN A 600°C
Páez, D.; Rodríguez, L.; Rozo, C.
Variación de la resistencia a compresión y módulo elástico del concreto por acción del fuego
5
La Figura 4 muestra la variación del módulo de elasticidad de los especímenes de resistencia R2, en donde la
disminución del valor del módulo durante los primeros 30 minutos de exposición es baja (14%) definiendo que estos
especímenes son rígidos y no sufren afectaciones para este tiempo de exposición, por otro lado después de 60 minutos y
hasta los 120 minutos de exposición el concreto pierde 87 % de este valor asemejándose al valor obtenido a los
especímenes de resistencia R1.
2.4 Análisis de los resultados.
Como se mencionó anteriormente, se utilizaron áridos de origen calcáreo los cuales teóricamente son capaz de soportar
temperaturas elevadas cercanas a 900 °C [4], lo expuesto anteriormente se comprobó al someter lo especímenes R1 Y
R2 a cambios térmicos cercanos a los 600 °C sin presentarse al colapso en ninguno de estos.
2.4.1 Comportamiento de los valores de resistencia a la compresión R1 y R2 en función del tiempo de exposición a
temperatura de 600 °C.
En la Figura 5, las líneas continuas muestran el comportamiento de los especímenes R1 y R2 respectivamente, donde
se observa que el valor de resistencia desciende a medida que aumenta el tiempo de exposición al cambio térmico en los
dos grupos de especímenes utilizados, es de resaltar que para estos dos grupos el comportamiento del valor de pérdida
de resistencia descendió de manera similar hasta llegar a un punto de convergencia cercana al 68 % con tiempo de
exposición de 120 minutos a temperatura de 600 °C. Se destaca además que los primeros 30 minutos de exposición al
cambio térmico, es el intervalo de tiempo más crítico para el grupo de especímenes R1, en donde estos perdieron el
34,08% de resistencia; y para los especímenes R2 el intervalo de tiempo crítico de exposición al cambio térmico está
entre los 30 y 60 minutos, presentando un valor de pérdida de resistencia cercanos al 36,5 %.
Las líneas punteadas representan los resultados obtenidos de un proyecto ya desarrollado en la misma institución
universitaria, en el que se manejaron áridos de origen silíceo y los especímenes no soportaron cambios térmicos
mayores a los 300 °C, presentando pérdidas de resistencia cercanas 39 % después de 120 minutos de exposición al
cambio térmico.
Figura 5. Comportamiento de la resistencia a compresión de los especímenes a temperaturas de 300 °C y 600°C
2.4.2 Comportamiento de los valores de módulo de elasticidad de los especímenes con resistencia a la compresión R1 y
R2 en función del tiempo de exposición a temperatura de 600 °C..
En la Figura 6, las lineas continuas representan el comportamiento del valor del módulo de elasticidad obtenidos de los
especímenes R1 y R2, allí se observa que el valor del módulo de elasticidad disminuye a medida que el tiempo de
exposición al cambio térmico aumenta, resaltando que para los especímenes con resistencia a la compresión R1 el
módulo de elasticidad decreció de forma suavizada y uniforme hasta llegar a perder un 86% despúes de 120 minutos de
exposición respecto al valor patrón, además se nota que luego de los 60 minutos de exposición el valor del módulo de
elasticidad tiende a estabilizarse mostrando así que los primeros 30 minutos de tiempo de exposición es donde el valor
de los especímenes decrece más, cerca del 45% en relacion al valor patrón, mostrando ser el intervalo de tiempo más
crítico.
05
101520253035404550
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135
RES
ISTE
NC
IA A
LA
C
OM
PR
ESIÓ
N M
Pa
TIEMPO DE EXPOSICIÓN (MINUTOS)
RESISTENCIA A LA COMPRESIÒN DESPUES DE LA EXPOSICIÒN.
Resistencia a la compresión a300°C (21 MPa) Rafael Larrota
Resistencia a la compresión a300°C (28 MPa) Rafael Larrota
Resistencia a la compresión a600°C (R1) Los autores
Resistencia a la compresión a600°C (R2) Los autores
Páez, D.; Rodríguez, L.; Rozo, C.
Variación de la resistencia a compresión y módulo elástico del concreto por acción del fuego
6
Para los especímenes con resistencia a la compresión R2 se observa que el módulo de elasticidad se redujo con un
comportamiento diferente que los especímenes de la resistencia R1, en los primeros 30 minutos la pérdida no fue
significativa, cerca del 14% del valor patrón; después de los 30 minutos y hasta los 60 minutos de exposición al calor, el
valor del módulo de elasticidad presentó una reducción considerable cercana al 87% con respecto del módulo de
elasticidad patrón, luego a los 120 minutos de exposición la rigidez del concreto intenta estabilizarse a pesar de que para
este tiempo ya ha disminuido cerca del 87% en relacion al valor.
Las lineas continuas por su parte representan el comportamiento del módulo de elasticidad de un proyecto ya
desarrollado en la institución universitaria, observandose la disminución de este valor pero en menor proporción debido
a que la temperatura de exposición solo fue de 300 °C.
Figura 6. Comportamiento del módulo de elasticidad de los especímenes expuestos a temperaturas de 300 °C y 600°
3. CONCLUSIONES
• El agregado calcáreo maneja bien los cambios de temperatura, permitiendo llegar a los 600ºC, a pesar de esto se debe
tener en cuenta que a temperaturas mayores a 900ºC el material calcáreo puede deshacerse y convertirse en lo que
comercialmente se conoce como cal.
• El concreto disminuye la resistencia a compresión y módulo de elasticidad de forma irreversible al ser expuesto a altas
temperaturas con tiempos prolongados, pues a medida que aumentó el tiempo de exposición a 600 °C, el módulo de
elasticidad decayó siendo inversamente proporcional, lo cual indica que la disminución de este valor puede ocasionar
que las estructuras de concreto en general bajo la acción del fuego sean menos rígidas y susceptible al colapso
estructural.
• El comportamiento de la resistencia a la compresión también es inversamente proporcional al tiempo de exposición al
cambio térmico, disminuyendo su valor a medida que la exposición a las altas temperaturas aumentaba, provocando que
después de 120 minutos los especímenes no soportaran esfuerzos mayores a 15 Mpa. Puntualizando que las estructuras
en general, después de un incendio está implícita a colapsar al no poder soportar incluso hasta el peso propio de la
misma por unidad de área.
• Esta metodología propuesta ha demostrado ser adecuada para describir los efectos que produce el cambio térmico
sobre el concreto en el caso de que se presente un incendio, en ese sentido, es posible aplicar dicha metodología para
evaluar posibles soluciones para mitigar los cambios que produce este fenómeno sobre el concreto, buscando una línea
de continuidad para establecer mejoras en los materiales que componen las mezclas de concreto.
0
10000
20000
30000
40000
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135
MÓ
DU
LO D
E EL
AST
ICID
AD
(M
Pa)
TIEMPO DE EXPOSICIÓN (MINUTOS)
COMPARACIÓN MÓDULOS DE ELASTICIDAD Vs TIEMPO DE EXPOSICIÓN A 300°C Y 600°C
.
Módulo de elasticidad a 300°C(21 MPa) Rafael Larrota
Módulo de elasticidad a 300°C(28 MPa) Rafael Larrota
Módulo de elasticidad a 600°C(R1) Los autores
Módulo de elasticidad a 600°C(R2) Los autores
Páez, D.; Rodríguez, L.; Rozo, C.
Variación de la resistencia a compresión y módulo elástico del concreto por acción del fuego
7
4. REFERENCIAS.
[1].LARROTA, R. A. (2012). “Influencia del fuego en el módulo elástico y resistencia a compresión del concreto”.
Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia UPTC, Tunja, Colombia. 136 pág.
[2]. REGLAMENTO COLOMBIANO DE CONSTRUCCION SISMO RESISTENTE. NSR-10, Titulo J. Requisitos de
protección contra incendios en edificaciones. 1625 pág.
[3] INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN (ICONTEC), Norma Técnica
Colombiana NTC 4025, Concretos. Método de ensayo para determinar el módulo de elasticidad estático y la relación de
Poisson en concreto a compresión (ASTM C 469:2002). Bogotá 2010.
[4] CAPOTE ABREU J. A.; ALVEAR PORTILLA M. D.; CRESPO ÁLVAREZ J. “Análisis experimental de
hormigones expuestos al fuego. Evaluación de variables hidro-térmicas”. Universidad de Cantabria. GIDAI. Dpto.
Transportes y Tecnología de Proyectos y Procesos. Artículo de investigación. Vol. 85 N° 575. Noviembre de 2011. 11
pág.