El hormigón es un material frágil, con una resistencia a la tracción considerablemente menor que a compresión. El uso de fibras como agregado a la masa de hormigón es una alternativa posible útil y económica al empleo de barras de acero en VGC. Numerosas investigaciones demuestran que su uso aumenta la tenacidad y la capacidad del hormigón a resistir esfuerzos de tracción y corte Lantsoght E. 2019 (1), Cuenca E. 2015 (2), Heek et al. 2017 (3), Singh et al. 2014 (4), ACI 544 1.R (5), Katzer J. 2006 (6). El uso de macrofibras de polipropileno en particular ha sido investigado por autores como Kotecha P. 2019 (7) y Ortiz F. 2018 (8), demostrando que al igual que las de acero, logran reemplazar en alguna proporción la armadura tradicional de acero a corte. Para los casos de vigas en los que se combina la armadura tradicional con macrofibras de polipropileno (PP), se aumenta la carga máxima Ortiz F. 2018 (8).

El Reglamento Argentino de estructuras de hormigón CIRSOC 201-05 (9) define a las VGC, como aquellos elementos cargados en un borde y apoyados en el opuesto de tal manera que puedan generar bielas de compresión entre las cargas y los apoyos, y que se de alguna de las siguientes condiciones (Figura 1):

a)

que las luces libres, ln, sean iguales o menores que 4 veces la altura total (h) del elemento (ln ≤ 4h), o bien

Las VGC se deben diseñar considerando la distribución no lineal de la deformación. Entre los procedimientos para su diseño se tiene el método de bielas y tirantes, adoptado por el Reglamento Argentino CIRSOC 201-05 (9) Apéndice A y diferentes códigos a nivel mundial como el ACI 318 S-14 (10).

El método de bielas y tirantes permite representar con un aceptable grado de aproximación, el comportamiento de aquellas zonas particulares de las estructuras en donde no es válida la hipótesis de Bernoulli y, por lo tanto, no se cumple con la distribución lineal de deformaciones en la sección o zona de estudio. El método está basado en el teorema de límite inferior de cálculo plástico y se reduce a encontrar los caminos de las fuerzas a través de tracciones y compresiones, es decir idealizando los campos tensionales (isostáticas de compresión y tracción), mediante un conjunto de bielas comprimidas de hormigón y tirantes traccionados de acero, que se conectan a través de nodos de forma de poder transmitir las cargas hasta los apoyos. Es decir, interpreta la resistencia de la viga como el trabajo de un reticulado formado por bielas comprimidas y traccionadas. En la Figura 1 se muestra un posible modelo de bielas y tirantes a aplicar en la resolución de una VGC con dos cargas puntuales. En dicha figura las líneas de trazo discontinuo delimitan las bielas comprimidas y el tirante es representado por la línea continua inferior. Cuando se hace referencia a un “posible modelo” se quiere destacar que siempre existirán varios trazos posibles para idealizar el comportamiento estructural y entre varios modelos tentativos, se debería optar por aquel que produzca el menor trabajo interno de deformación.

La mayor parte de las cargas que soportan las VGC se transmite directamente a los apoyos debido a la pequeña proporción entre la luz de corte (distancia desde el punto de aplicación de la carga al centro del apoyo) y la altura total. En consecuencia, la rotura generalmente es causada por corte, es decir, son las tensiones de corte las que controlan la resistencia de una VGC. Por esto, los diferentes códigos de diseño establecen una cuantía mínima para el refuerzo a corte que garantice tanto los requerimientos de resistencia como de servicio (CIRSOC 201 (9), ACI 318 S-14 (10), Eurocódigo, EN 1992-1-1 (11)). Sin embargo, se ha demostrado que la capacidad resistente de las vigas de gran canto (VGC) aumenta con la resistencia del hormigón y con el incremento de la cuantía del refuerzo a corte (Aguilar et al. 2002 (12), Mohammad et al. 2012 (13), Choi et al. 2012 (14)). Pero a su vez, el incremento de la cuantía puede provocar grandes congestionamientos de refuerzo. Por ejemplo, las vigas de acoplamiento en estructuras sismorresistentes requieren una gran cantidad de refuerzo de acero, tanto diagonal como transversal. Ello genera congestionamiento de armaduras y dificultades constructivas, asociados a la ubicación de las barras diagonales y la escasa separación del refuerzo transversal.

Los hormigones reforzados con fibras surgen entonces, como alternativa constructiva. Además, su uso, tiene otros beneficios según algunas investigaciones como ahorros significativos de tiempo y mano de obra, buen control de calidad del material, y reducción o eliminación de la armadura mínima de corte (Canbolat et al. 2005 (15), Parra Montesinos, 2006 a (16), Parra Montensinos et al., 2006 b (17), Sagar M. et al., 2021 (18), Tuchscherer y Quesada 2015 (19), Albidah et al. 2019 (20)). Otras investigaciones han demostrado también, la efectividad del uso de fibras de acero, polipropileno e híbridas como agregado al hormigón en VGC (Chittaranjan N. 2021 (21) Suhail et al., 2017 (22), Moradi y Esfahani 2017 (23), Campione G. 2012 (24), Madan et al., 2007 (25), Smarzewski P. 2019 (26)).

El estudio del comportamiento mecánico de las VGC resulta de gran importancia debido a sus numerosas aplicaciones en distintas estructuras. Sin embargo, en la bibliografía se encuentran muy pocos antecedentes de estudios de VGC de HRFH, empleando fibras de acero y fibras sintéticas Smarzewski P. 2019 (26). Por ello, resulta necesario contar con resultados de pruebas experimentales que reporten los beneficios que el uso de este material compuesto tiene en el comportamiento mecánico de las VGC y la posibilidad del reemplazo parcial o total de la armadura mínima de corte.

En este trabajo se muestran los resultados de una campaña experimental en la que se evalúa la efectividad del uso de fibras de acero e hibridas (de acero y macrofibras de polipropileno) como agregado al hormigón en VGC, en reemplazo parcial de la armadura tradicional de barras de acero. La efectividad del uso de dichas fibras se evaluó a partir del análisis de curvas carga – desplazamiento, resistencia residual post pico de carga y modos de rotura.

El programa experimental consistió en la elaboración y ensayo a flexión en tres puntos de vigas con 3 tipos diferentes de hormigón: simple, hormigón reforzado con fibras de acero (HRFA) y hormigón reforzado con fibras de acero y polipropileno (HRFH). Este programa se desarrolló en tres etapas en las que se analizaron 12 VGC cada una. En total, se estudiaron 36 vigas, de las cuales:

A)

18 vigas elaboradas con hormigón armado sin fibras: 9 con armadura de flexión y corte en la dirección paralela y perpendicular a la luz del tramo, y 9 con armadura de flexión y armadura reducida de corte en la dirección perpendicular a la luz del tramo.

Además, se elaboraron y ensayaron probetas cilíndricas de hormigón con y sin fibras y vigas prismáticas con entalla de hormigón reforzado con fibras de polipropileno (de acuerdo con la norma EN 14651:2005 (27)) para caracterizar el comportamiento mecánico del hormigón.

En la Tabla 1 se presenta la descripción de los especímenes ensayados en cuanto a denominación, contenido de fibras en porcentajes de volumen y cuantía de barras de acero. En la misma tabla se pueden ver las tres etapas en las que se dividió el programa experimental. Una primera etapa donde se construyeron especímenes de hormigón armado y de hormigón armado con un solo tipo de fibras. Y una segunda y tercera etapas en las que se elaboraron además vigas de hormigón armado con dos tipos de fibras, acero y polipropileno. La nomenclatura utilizada es la siguiente: V, hace referencia a las VGC. La sigla AC, representa a los especímenes de hormigón armado sin fibras con armadura a corte reglamentaria según CIRSOC 201-05 (9), mientras que la AR hace referencia a las vigas de hormigón armado sin fibras y armadura a corte reglamentaria reducida. Los especímenes de hormigón reforzado con fibras de acero son representados con la nomenclatura HRFA, en los que 05 y 1, representa el porcentaje de adición de fibras en volumen que es 0.5% y 1% respectivamente. Por su parte, las letras HRFH representan los especímenes de hormigón reforzado con fibras híbridas.

Seguidamente, se describen los especímenes, propiedades de los materiales y procedimiento de ensayo e instrumental empleado.

Seguidamente, se presentan los resultados obtenidos experimentalmente. Se analizan cargas correspondientes a la primera fisura, cargas máximas, modos de rotura y curvas carga-desplazamiento.

En la Tabla 5 se presentan los valores promedio de carga correspondiente a la primera fisura, carga máxima (Pmax), desplazamiento vertical (δmax) correspondiente a dicha carga y los modos de rotura. Además, se muestra el porcentaje de incremento de las cargas máxima y primera fisura de las vigas de hormigón reforzado con fibras. Dicho porcentaje de incremento se calculó haciendo el cociente entre la diferencia entre las cargas de los especímenes de hormigón con fibras y las de los sin fibras, sobre la carga los especímenes de hormigón simple con armadura de corte reducida.

Los resultados de los ensayos de la primera etapa mostraron que las cargas de primera fisura de los especímenes de HRFA para ambos porcentajes de adición de fibras resultaron similares y de alrededor de un 30% mayores que las de HS con armadura reducida, en promedio. Se puede decir, además, observando la Tabla 5, que las fibras de acero resultaron más efectivas que la armadura mínima reglamentaria de corte, en cuanto a la aparición de la primera fisura.

En la segunda etapa, se observó que las cargas de primera fisura de los especímenes de HRFA con 0.5% de adición resultaron similares a las de hormigón sin fibras con armadura reducida (V-AR). Por otra parte, las VGC de HRFH mostraron un mejoramiento promedio del 5% en dicha carga respecto de las V-AR. En este caso, la adición de las macrofibras de polipropileno en combinación con las fibras de acero, produjo un aumento en la carga de fisuración, obteniéndose valores mayores a los de los especímenes con armadura mínima de corte reglamentaria (Cirsoc 201-05 (9)). Es decir, se produjo una sinergia positiva entre las fibras de refuerzo.

Finalmente, en la tercera etapa, se obtuvieron para las vigas de HRFA cargas de primera fisura un 10.5% mayores que las de hormigón armado sin fibras. A su vez, en los especímenes de HRFH la primera fisura se produjo con cargas un 21% mayores que en las VGC de hormigón armado sin fibras y con armadura reducida.

En cuanto a la carga máxima (Pmax) de los especímenes de la primera etapa, las VGC de HRFA, con 0.5% de fibras, mostraron un incremento promedio del 26% respecto de las VGC de hormigón sin fibras con armadura a corte reducida (V-AR) y un 8% respecto de las vigas de hormigón sin fibras y armadura de corte reglamentaria según CIRSOC 201-05 (9) (V-AC). Por su parte, las vigas de HRFA con 1% de fibras alcanzaron cargas máximas promedio un 19% mayores a las V-AC y un 39% mayores que las registradas por las V-AR. En este caso, el aumento del volumen de fibras, de 0.5 % a 1%, mejoró la resistencia a pesar de la reducción de la trabajabilidad de la mezcla por la incorporación de las fibras.

En la segunda etapa, los especímenes de HRFA, con 0.5% de fibras mostraron cargas máximas un 3.5% menores a las V-AC, sin embargo, resultaron un 7.5% mayores a la carga máxima de las vigas de hormigón sin fibras y armadura de corte reducida. Por su parte las vigas de HRFH con 0.5% de fibras de acero y 0.5% de macrofibras de polipropileno alcanzaron cargas máximas promedio un 3.5% mayores a las de las V-AC y un 15.4% mayores que las registradas por las vigas de hormigón armado sin fibras y armadura de corte reducida (V-AR).

En la tercera etapa, los especímenes de HRFA, con 0.5% de fibras alcanzaron cargas máximas un 2.8% menores a las V-AC, pero resultaron un 14.60% mayores a las cargas máximas de las vigas de hormigón simple y armadura de corte reducida. Las vigas de HRFH con 0.5% de fibras de acero y 0.5% de macrofibras de polipropileno alcanzaron cargas máximas promedio un 7% mayores a las de las V-AC y un 26.04% mayores a las registradas por las V-AR.

Se puede concluir, que tanto para cargas máximas como para cargas correspondientes a la aparición de la primera fisura la adición de fibras de polipropileno en la matriz de hormigón generó un rendimiento más efectivo de las fibras de acero mejorando la respuesta estructural de las vigas.

A fin de comparar la efectividad del uso de fibras se efectuó una normalización las cargas de primera fisura y máxima se normalizaron dividiéndolas por f ′m b.d (en donde f ′m es la resistencia media a compresión, b el ancho de las VGC en mm y d el espesor en mm). En la Figura 9 se muestran las cargas normalizadas.

En este trabajo se presentó un estudio experimental de la capacidad resistente a corte de VGC de hormigón armado sin fibras, HRFA y HRFH. Del análisis y comparación de los resultados, se puede concluir que:

El agregado de fibras permitió obtener cargas correspondientes a la primera fisura, mayores que las obtenidas en el caso de los especímenes de hormigones sin fibras. El incremento en dicha carga en promedio fue de hasta un 32.24% para el caso de HRFA. En cuanto a los especímenes de HRFH mostraron aumentos promedio en la carga de aparición de primera fisura entre 5% y 21.05% comparándolas con las VGC de hormigón armado sin fibras. Además, las cargas de primera fisura de los especímenes de HRFH resultaron entre un 5.00% y un 9.50% mayores a las de las VGC de HRFA-05.

La incorporación de fibras de acero en un 0.5% del volumen, aumentó las cargas correspondientes a la aparición de la primera fisura. Dicho aumento en promedio fue de 32.24% en la primera campaña, no se vieron aumentos de dicha carga en la segunda campaña y en la tercera campaña el aumento fue de 10.52%. A su vez dicha adición de fibras de acero aumentó la capacidad resistente de las vigas con armadura a corte reducida. Alcanzando cargas máximas promedio un 26% en la primera campaña, 7.6% en la segunda y 32.74% en la tercera campaña. Sin embargo, el aumento del volumen de fibras, resultó en detrimento de la trabajabilidad de la mezcla.

Los especímenes de HRFH mostraron, mayor resistencia y capacidad de deformación que los de hormigón armado sin fibras y HRFA. Alcanzando cargas máximas promedio un 15% mayores a las de las VGC de hormigón sin fibras y con armadura reglamentaria en la segunda campaña y un 26% mayores respecto a los especímenes con armadura reglamentaria en la tercera campaña.

Los especímenes de hormigón reforzado con fibras hibridas mostraron modos de rotura combinado a corte y flexión, sin desprendimientos y conservando el monolitismo en todos los casos, lo que demuestra la eficiencia del uso de las fibras como refuerzo al corte.

Si bien es necesario realizar un mayor número de ensayos, se puede decir que las vigas de HRFH tuvieron un comportamiento resistente muy satisfactorio, con valores de carga máxima superiores a los obtenidos no solo en las vigas de hormigón armado sin fibras y armadura de corte reducida, sino también a las VGC tradicionales de hormigón armado sin fibras con armadura a corte reglamentaria e incluso con respecto a aquellos especímenes reforzados con un solo tipo de fibra. Ello alienta la posibilidad de sustituir parcialmente la armadura convencional de corte por hormigón reforzado, en este caso con dos tipos de fibras. También se puede decir que la capacidad de deformación de las vigas de HRFH, es comparable a la de los especímenes de hormigón armado sin fibras y con armadura a corte reglamentaria.

Los resultados de este trabajo sirven a un trabajo de modelación numérica implementado en un software de análisis por elementos finitos cuyo objetivo es representar el comportamiento mecánico de las VGC de hormigón armado y reforzado con fibras. Dicho estudio numérico, para el caso de las VGC de HRFH, considera, por un lado, las fibras de acero aleatoriamente distribuidas en la masa del hormigón, y, por el otro el hormigón reforzado con fibras de polipropileno como material homogéneo con las propiedades de conjunto.