Overview
Fuente: Roberto León, Departamento de Ingeniería Civil y ambiental, Virginia Tech, Blacksburg, VA
En el laboratorio anterior que se centró en concreto en compresión, se observó que el concreto puede soportar tensiones muy grandes bajo fuerzas de compresión uniaxiales. Sin embargo, los fracasos observados no fueron fallas compresivas, pero fallas a lo largo de planos de corte donde se producen fuerzas de tracción máxima. Por lo tanto, es importante entender el comportamiento del concreto en tensión y particularmente su fuerza máxima ya se rigen ambos su último y comportamiento de servicio. Desde el punto de vista ultimate, combinaciones de tensión y tensiones de esquileo dará lugar a la falla se agrieta e inmediata y catastrófica. Por eso, concreto es raramente si siempre en una condición sin refuerzo en aplicaciones estructurales; miembros más concretos se verá reforzados con acero para que estas grietas pueden interrumpirse y los anchos de grieta limitada. Este último es importante desde el punto de vista de utilidad porque control de anchos de crack y distribución es la clave para la durabilidad, ya que esto impedirá descongelante sales y productos químicos similares de penetrante y a la corrosión del acero de refuerzo.
Los objetivos de este experimento son tres: (1) para realizar pruebas de cilindro de tracción split para determinar concreto resistencia a la tracción, (2) para realizar pruebas de la viga para determinar la resistencia del concreto a la tracción y (3) para demostrar la influencia del refuerzo de acero en comportamiento comparando el comportamiento de la viga ligeramente reforzado con uno sin refuerzo.
Principles
La capacidad de resistencia a la tracción (ft) de un material frágil compuesto concreto es a menudo en la gama de 1/10 de su capacidad de compresión (f'c). Este comportamiento es impulsado por la existencia de una capa muy débil, llamada la zona de transición interfacial (ITZ) entre el mortero y el agregado. Esta capa muy delgada (sólo unos 40 μm o menos) contiene menos hidratadas calcio y cemento silicatos hidratos (C-S-H) que el mortero, pero más grandes orientados cristales de hidróxido de calcio (C-H), así como hidratos de trisulfate (o etringita, la larga aguja-como estructuras). Ambos de estos factores contribuyen a una mayor porosidad de esta capa y así a una menor resistencia. Además, el hecho de que la separación media entre partículas de agregado es de sólo 2 a 2.5 veces el espesor de la ITZ, significa que una cantidad muy significativa de mortero, algunos estima que hasta un 40%, se compone de este material más débil.
El comportamiento frágil del hormigón es impulsado por el crecimiento de las microfisuras que se propagan de concentración de tensiones que se producen entre el árido y el mortero. ¿Qué es, conceptualmente, el estado de tensión alrededor de una partícula agregada ronda idealizada como una carga de compresión se aplica? Como la compresión intenta "flujo" alrededor de la partícula y el vector de fuerza se convierte en inclinado, desarrollan las fuerzas de tracción en dirección horizontal. Estas fuerzas son más altas en la interfase debido a la concentración de tensiones. La combinación de grandes fuerzas de tracción y un débil ITZ llevar a agrietarse preferencial en esta área.
Como el esfuerzo de compresión se aumenta en una prueba de cilindro, estas grietas comienzan a crecer y propagarse como resultado de las tensiones de tracción transversales, microfisuras inicial existente y la presencia de la ITZ débil. La voluntad de crecimiento de grieta se convierten en inestables como el hormigón alcanza su resistencia máxima, y el hormigón va a perder su capacidad para mantener la fuerza muy rápidamente como grietas se propagan a gran velocidad. Esto resulta en general frágil comportamiento concreto, así como de muchos materiales cerámicos similares con zonas débiles de la interfaz.
La baja capacidad resistencia característica del hormigón también hace una tensión directa de prueba muy difícil de realizar, como ejemplares de tracción convencionales tienden a fallar en los agarres por concentración de tensiones. Una solución elegante de solucionar este problema es poner a prueba los cilindros en su lado. Este método se denomina cilindro split, o ensayo brasileño. En esta prueba, mientras se mueve uno de los jefes de carga, donde hay un complejo estado de estrés, se desarrollará un campo de tensión de tracción horizontal uniforme. Puesto que el concreto es débil en tensión, esto llevará a una grieta vertical y la división del cilindro. De estudios estadísticos, se espera que la prueba del cilindro de split para dar capacidad de resistencia a la tracción del orden 6√f'c.
Otra forma indirecta de prueba concreto en tensión es utilizar a un espécimen de la viga corta en una configuración de prueba de flexión de cuatro puntos. La porción central de la viga es bajo momento constante y cero del esquileo, y así puede obtenerse una relación simple entre la carga de la falta, las propiedades geométricas y la resistencia de la viga usando principios de la teoría elástica. La viga fallará repentinamente en cuanto forma una grieta en la parte inferior y no tiene fuerza residual. Aunque es bien sabido en el fallo la distribución de tensiones en toda la profundidad de la viga de hormigón no muy sigue de la teoría elástica, esta incoherencia se considera generalmente tener poca influencia en los resultados finales. De estudios estadísticos, se espera que el ensayo de tracción de la viga para dar capacidad de resistencia a la tracción del orden de 7.5√f'c.
El fracaso repentino y frágil observado en el ensayo de viga de hormigón sería inaceptable en cualquier aplicación práctica, donde fuerza ductilidad y residual para llevar por lo menos es necesario cargas de gravedad. Refuerzo de acero se agrega en la parte inferior (o lado extensible) de la viga para evitar esos errores repentinos; el concreto comienza a agrietarse, el acero comienza a tomar las fuerzas de tracción. La técnica funciona como las barras, que tienen deformaciones superficiales para transferir fuerzas de lo concreto, son correctamente ancladas. En el caso de una viga corta como la que se prueba aquí, esto se logra proporcionando un gancho en el extremo de las barras. Además, dado que pueden aparecer grietas de corte diagonal cerca de la profundidad media de la viga, generalmente se proporcionan estribos verticales. Por último, debido a la naturaleza indeterminada de estructuras de hormigón armado, es difícil saber con certeza donde la tensión y compresión en un rayo bajo un conjunto particular de cargas. Por esa razón, bares también se colocará en la parte superior, dando por resultado la típica jaula de acero que se ve en la mayoría de vigas en estructuras de hormigón armado.
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Procedure
1. prueba de tensión de fractura
- Para esta prueba, utilice los cilindros de muestra que previamente fueron preparados (véase JoVE video ''pruebas en hormigón fresco y"). Obtener dos finas tiras de balsa madera o similar (alrededor de 1/8'' gruesa x 1" gran x 8' largo) para ayudar a distribuir las cargas en los cilindros.
- Medir las dimensiones de los dos cilindros. Trace una línea a lo largo del diámetro en cada extremo del espécimen bisecan el cilindro.
- Centro de una tira a lo largo del centro del bloque de cojinete inferior de la máquina de prueba.
- Coloque el cilindro en la tira y alinee de modo que las líneas marcadas en los extremos de la muestra son verticales y centradas sobre la banda.
- Coloque una segunda franja longitudinal en el cilindro.
- Baje la parte superior de la cabeza de la máquina de prueba de carga hasta que la Asamblea se fija en la máquina.
- Estimación de la máxima carga de la muestra puede tomar si se asume que la resistencia a la tracción es 6√f'c , donde c f' resistencia a la compresión nominal concreto.
- Aplicar la carga compresiva lentamente (en alrededor de 100 psi a 200 psi / min) y continuamente hasta que la muestra no en tensión de fractura.
- Registrar la carga máxima aplicada.
- Examinar la superficie de fractura y estimar el porcentaje de agregado que se ha fracturado.
2. prueba de tensión de la viga
- Construya una viga de hormigón con un 4 pulg x 4 pulg Cruz y 36 pulgadas de largo.
- Instalar un aparato de prueba de flexión de 4 puntos en la máquina de prueba.
- Cuidadosamente levante la viga e instálelo en la prueba de configurar.
- Encienda la máquina de prueba y activar el software para leer carga y deformaciones.
- Estimar la carga máxima que puede tomar la muestra suponiendo que la resistencia a la tracción es 7.5√f'c y aplicar la carga compresiva lentamente (en alrededor de 100 psi a 200 psi / min) y continuamente hasta que la muestra no.
- Registrar la carga máxima aplicada.
- Examinar la superficie de fractura y estimar el porcentaje de agregado que se ha fracturado.
3. prueba de la viga reforzado
- Construya una viga de hormigón, reforzada con dos #3 barras (diámetro de 3/8 pulg) situada cerca de 0,5 pulgadas de la parte inferior. Las barras tienen ganchos en los extremos para evitar que una barra de fracaso de la retirada. La viga es de 4 pulgadas x 4 pulgadas en sección transversal con una 36 pulgadas de longitud sin soporte.
- Instalar un aparato de prueba de flexión de 4 puntos en la máquina de prueba.
- Cuidadosamente levante la viga e instálelo en la prueba de configurar.
- Encienda la máquina de prueba y activar el software para leer carga y deformaciones.
- Estimar la carga máxima que puede tomar la muestra suponiendo que la resistencia a la tracción es 7.5√f'c y aplicar la carga compresiva lentamente (en alrededor de 100 psi a 200 psi / min) y continuamente hasta que la muestra no.
- Registro de la carga aplicada y deformaciones conforme avanza la prueba.
Hormigón armado tiene mayor fuerza que el hormigón no armado porque el acero en la sección reforzada puede utilizarse para llevar a grandes fuerzas de tracción, como se demostrará en este laboratorio.
Concreto puede soportar tensiones muy grandes bajo fuerzas de compresión uniaxiales. Sin embargo, los fracasos observados no son compresivos en la naturaleza pero fallas a lo largo de planos de corte donde se producen fuerzas de tracción máxima. Este tipo repentino de fracaso es aceptable en aplicaciones estructurales y más concreto es reforzado con acero para aumentar su resistencia y ductilidad.
En aplicaciones prácticas, se agregan barras en forma de jaula de acero para cruzar los planos potenciales de falla a la tracción. Refuerzo de acero sirve para limitar la formación de la grieta y grieta anchos, aumentando la vida de la estructura. Sales de deshielo y otros productos químicos están impedidos de penetrar y a la corrosión del acero de refuerzo. Se mantiene la rigidez de los miembros estructurales y deflexiones a largo plazo se reducen y se mejora el aspecto estético de las estructuras de hormigón.
En este video, llevamos a cabo pruebas para determinar la resistencia del concreto a la tracción y comparar reforzado con hormigón no armado.
En concreto, una capa muy delgada y débil entre el mortero y el agregado, llamado la zona de transición interfacial, resulta en muy baja resistencia a la tracción. Porque el diseño de los hormigones comunes es impulsado por la necesidad de maximizar el contenido de agregados y minimizar el volumen de mortero, la separación de partículas es muy pequeña, con hasta un 40% del volumen del mortero formado por el material más débil del ITZ. El agua local, más grande, proporción de cemento durante la mezcla y endurecimiento en la zona de interfase, se traduce en más débil estructura cristalina en el ITZ. Esta condición, juntada con la concentración de tensiones alrededor de las partículas agregadas irregulares, conduce a un crecimiento de grieta preferencial en esta área.
Para probar las propiedades de resistencia a la tracción del hormigón, un método conocido como la prueba del cilindro de split es de uso frecuente. Una fuerza de compresión se aplica dando por resultado una tensión uniforme, horizontal, en lugares lejos de la carga aplicada.
Una correlación se considera típicamente entre las fuerzas de tracción y compresión, aunque típicos coeficientes de variación de estas relaciones son altos. Otro método utilizado es una configuración de prueba de flexión de cuatro puntos. En esta prueba, la fibra superior es en la compresión y la parte inferior, en tensión. Cuando se alcanza la resistencia a la tracción en la parte inferior, forma un crack causando fracaso inmediato.
Se observa una correlación similar de fuerzas de tracción y compresión para esta prueba. Resultados de la prueba de la viga en las predicciones de la capacidad de resistencia a la tracción, generalmente de 30 a 50% más grande que la prueba de tensión de fractura. Pero debido a grietas en elementos de hormigón muchos es debido a la flexión, los valores de las pruebas de la viga se suelen utilizar en el diseño. Para comparar pretratado para hormigón, barras de acero se colocan en la parte de tracción de una viga y luego probados.
En la siguiente sección, vamos a medir la resistencia del hormigón no armado utilizando la prueba de tensión de fractura y comparar la fuerza extensible de no reforzada y hormigón armado, utilizando la prueba de tensión de la viga.
Para estas pruebas, utilice los cilindros de muestra que se prepararon en nuestro video sobre hormigón fresco. Utilizar una tira fina de madera de balsa y una barra de acero rígida para ayudar a distribuir las cargas uniformemente de las cabezas cilíndricas de carga en la máquina de ensayos de compresión. Trace una línea a lo largo del diámetro en cada extremo del espécimen, bisecan el cilindro. A continuación, centro de una tira de madera y barra de acero rígido a lo largo del centro del bloque de cojinete inferior de la máquina de prueba.
Ahora, coloque el cilindro en la tira y alinee de modo que las líneas marcadas en los extremos de la muestra son verticales y centradas sobre la banda. Continuación de colocar la segunda tira de madera y barra de acero longitudinal en la parte superior del cilindro. Luego, baje la parte superior de la cabeza de la máquina de prueba de carga hasta que la Asamblea se fija en la máquina.
Aplicar la carga compresiva lenta y continuamente hasta que la muestra no en tensión de fractura. Por último, registrar la carga máxima aplicada. Examinar la superficie de fractura y estimar el porcentaje de agregado que se ha fracturado. Repita este proceso para el segundo cilindro tener una idea de la variación.
Construcción de dos vigas de hormigón, sin refuerzo y reforzado con tres barras de número 2 situados aproximadamente a 0,5 pulgadas de la parte inferior. Las barras tienen ganchos en los extremos para evitar que una falla de barra extraíble. Ambas vigas son 4 pulgadas por 4 pulgadas en sección transversal con 16 pulgadas de longitud sin soporte.
Cuidadosamente levante la viga de hormigón y lo instala en el programa de instalación. Luego instale un aparato de prueba de flexión de cuatro puntos en la máquina de prueba como se muestra. La prueba se llama una prueba de flexión de 4 puntos porque tenemos dos soportes en los extremos y la carga de dos puntos en el tercer punto.
Encienda la máquina de prueba y activar el software para leer carga y deformaciones. A continuación, aplicar la carga compresiva lenta y continuamente hasta que la muestra no. Registrar la carga máxima aplicada. Por último, examinar la superficie de fractura y estimar el porcentaje de agregado que se ha fracturado.
Repetir el mismo protocolo para la viga de hormigón armado. En este caso, el refuerzo de acero en la parte inferior o la resistencia a la tracción lateral de la viga, evita repentinas fallas frágiles. El concreto comienza a agrietarse, el acero comienza a tomar las fuerzas de tracción. Esta técnica funciona como las barras de acero con deformaciones superficiales para transferir fuerzas de lo concreto, son correctamente ancladas.
Calcular la resistencia de la carga compresiva máxima alcanzada durante el ensayo de tracción de fractura. Para estas pruebas, el promedio fue de 388 psi con una desviación estándar de 22,2 psi.
Calcular la resistencia de la carga compresiva máxima alcanzada durante la prueba de resistencia de la viga. Para estas pruebas, el promedio fue 522,9 psi. Podemos comparar las vigas sin refuerzo y el concreto reforzado al observar las curvas de deflexión de carga.
Inicialmente, ambas vigas siguieron un camino similar con ligeras diferencias en la rigidez inicial, probablemente debido a cambios en las condiciones de apoyo. La viga sin refuerzo no como agrietamiento inicial se produjo en una carga de alrededor de 450 libras, una carga cerca de la resistencia prevista. La viga reforzada había agrietado en una carga más alta pero recuperó su fuerza rápidamente, aunque con una menor rigidez general. La carga sigue aumentando hasta que el acero comience a ceder después de lo cual, la curva comienza a aplanar. Porque el acero es muy dúctil y se endurece la tensión, falla produce en grandes deformaciones.
Una comparación de las dos curvas muestra la dramática diferencia en el rendimiento. La diferencia en fuerza es muy grande pero debe tenerse en cuenta que esto está relacionado con el área de acero utilizado.
Ahora que usted aprecie la necesidad de refuerzo de acero en concreto, vamos a ver un par de aplicaciones comunes. Utilizando sólo uno a 1 a 1.5% de acero sobre el área de la sección representativa concreta puede hacer estructuras de hormigón son económicos, seguros y proporcionan buen servicio. Muchos estadios de fútbol, como el Soldier Field en Chicago, deben sus formas únicas de hormigón armado.
Frank Lloyd Wright llevó de hormigón en el mundo de la arquitectura moderna. Haciendo uso de su capacidad para mantener su integridad en voladizos sin soporte, Wright utilizó el material en algunos de sus más grandes obras, incluyendo la cascada en Pennsylvania.
Sólo ha visto la introducción de Zeus para pruebas de compresión en el concreto endurecido en tensión. Ahora debe comprender la naturaleza frágil de resistencia a fallos en concreto y saber las pruebas estándar de laboratorio para determinar la fuerza de no reforzada y hormigón armado bajo tensión.
¡Gracias por ver!
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Results
Resistencia a la tracción de la carga compresiva máxima alcanzada durante el ensayo de tracción split viene dado por la siguiente fórmula:
ft = 2Pmax / (πDL)
donde D es el diámetro (pulgadas), L es la longitud (pulgadas), y Pmax es la carga máxima a la compresión (lb) alcanzada durante el ensayo de tracción. Para estas pruebas, el promedio fue de 388 psi con una desviación estándar de 22,2 psi (tabla 1).
| Prueba # |
 (psi) |
P (lb) |
 (psi) |
 |
| 1 | 4780 | 18456 | 367.17 | 5,31 |
| 2 | 4780 | 20678 | 411.38 | 5.95 |
| 3 | 4780 | 19385 | 385.65 | 5.58 |
| Promedio = | 388.07 | 5.61 | ||
| St dev | 22.20 | 0.32 |
Tabla 1. Resultados para la prueba de resistencia a la tracción de fractura.
Resistencia a la tracción de la carga compresiva máxima alcanzada durante la prueba de resistencia de la viga viene dado por la siguiente fórmula:
ft = PmaxL / (bd.2)
donde d es la profundidad (pulgadas), b es el ancho, L es la longitud (pulgadas), ymax P es la carga máxima a la compresión (lb) alcanzada durante el ensayo de tracción. Esta fórmula es válida para el caso donde las cargas se aplican en los puntos de tercera. Para estas pruebas, el promedio fue 522,9 psi (tabla 2).
| Prueba # |
(psi) |
P (lb) |
(psi) |
|
| 1 | 4780 | 2675 | 501.6 | 7.3 |
| 2 | 4780 | 2903 | 544.3 | 7.9 |
| Promedio = | 522.9 | 7.6 | ||
| St dev | 30.23 | 0.44 |
Tabla 2. Resultados para la prueba de resistencia de la viga.
La curva de carga-deflexión de las vigas sin refuerzo y el concreto reforzado se muestra en la figura 1. La viga sin refuerzo probablemente siguió el mismo camino de carga al principio, pero no tan pronto como se produjo el agrietamiento inicial. El reforzado demuestra una ligera discontinuidad cuando se produjo el agrietamiento inicial y una rigidez ligeramente inferior comienza a recoger carga en su condición agrietada. La carga continua aumentando hasta que el concreto empieza a ceder, cuando la curva empieza a aplanar. Sin embargo, porque el acero es muy dúctil y se endurece la tensión, la carga seguirá aumentando ligeramente y fracaso a ocurren deformaciones muy grandes cuando aplasta el hormigón en la parte superior.
Figura 1: Curvas de comparación de carga-deflexión sin refuerzo (azul) y reforzados vigas de hormigón (rojo) en (a) cargas pequeñas y (b) grandes cargas (curvas completas).
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Applications and Summary
La prueba demostró la naturaleza frágil de resistencia a fallos en concreto y demostró que la resistencia a la tracción es sólo una fracción (1/8 a 1/12) de la resistencia a la compresión. Fallas frágiles de este tipo podrían tener consecuencias catastróficas para la seguridad humana, y así todas las estructuras de concreto necesitan ser reforzados con barras de acero (o similares) para tomar las fuerzas de tracción. Una comparación de la curva carga-deformación de las vigas sin refuerzo y reforzadas indican no sólo que este último posee una mayor resistencia pero también capacidad de grandes deformaciones.
La clave para la seguridad y rendimiento a largo plazo de las estructuras de hormigón es proporcionar refuerzo en las áreas de altas tensiones de tracción y cizallamiento. En general, la cantidad de acero necesario para alcanzar esta meta es pequeña, del orden de 1% - 1.5% del área de la sección de hormigón. Esta pequeña cantidad significa que las estructuras de hormigón pueden ser económico, seguro y proporcionan buen servicio. Además, la capacidad de fundición de hormigón en una deseada forma da arquitecto gran libertad de acción en el desarrollo estético de las estructuras.
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