materiales
Fibras de acero para reforzar concreto Por Ing. Jair Antonio Cárdenas Ramírez
Su adición al concreto ha demostrado mejorar el desempeño mecánico y la capacidad portante. Su rápida aplicación y el hecho de evitar, en algunos casos, el uso de mallas o varillas hace de estas fibras un refuerzo de alta calidad a bajo costo.
Fotos: cortesía Colmena
L
as fibras de acero son un conjunto de filamentos metálicos obtenidos mediante la deformación de alambres de acero estirados en frío. Como resultado de este proceso, conocido como trefilación, se producen fibras con diámetros entre 0,6 y 1,0 mm, de formas rectas u onduladas –con mejores propiedades de adherencia–. Cuando estas fibras se mezclan en la elaboración del concreto (con el fin de reforzarlo), se consigue un mejor desempeño de propiedades mecánicas como flexotracción, resistencia al impacto, durabilidad, ductilidad, tenacidad y disminución de fisuras. Son, en síntesis, un refuerzo de alta calidad, fácil mezcla y bajo costo que garantiza una rápida aplicación del concreto con un excelente acabado. A nivel mundial, cuentan ya con una alta aceptación entre diseñadores, construc-
66
tores y propietarios. Prueba de ello es su aplicación en grandes proyectos y el hecho de estar siendo especificadas. Asimismo, la versatilidad y potencial demostrados en los últimos años ha incrementado su participación en el diseño y construcción de losas apoyadas sobre terreno y losas aéreas. En ambos casos han demostrado ser una solución integral en cuanto a requerimientos técnicos para proyectos de este tipo, pues combinan capacidad estructural y facilidad constructiva. Es importante resaltar que los criterios y metodologías adoptados para el diseño y construcción de losas de concreto aéreas y apoyadas sobre terreno deben asegurar un adecuado comportamiento durante su vida útil; de allí que no pueden obviarse los procedimientos constructivos y materiales requeridos por este tipo de estructuras.
Construcción Metálica 18
materiales
Tipos de fibra
Normas de fabricación y propiedades
Existen cinco tipos de fibras de acero, identificados según su proceso de fabricación y la variedad de las formas de presentación (rectas, onduladas o roscado en caliente de bloques de acero):
Para garantizar la ductilidad y asegurar la confiabilidad de las fibras de acero, estas deben, además de ser corrugadas, fabricarse con acero que cumpla la norma de fabricación ASTM A-820 (NTC 5214).
Tipo I: por estirado de alambre en frío (trefilación) Tipo II: por corte de láminas (láminas onduladas) Tipo III: por extrusión de acero Tipo IV: por molino de corte Tipo V: por modificación en el proceso de trefilación Secciones transversales más comunes de fibraS DE ACERO
Tipo I
Esta norma exige una resistencia mínima a la tensión de 345 MPa (50 000 psi), suficiente para asegurar que el mecanismo final de falla suceda por el desprendimiento de las fibras y no por la ruptura de las mismas. En cuanto a geometría, se contemplan los siguientes valores: L = Longitud: 25 a 63 mm D = Diámetro: 0,5 a 1,0 mm 50 < L/D < 100 (L/D = Relación de aspecto)
Las fibras con alta relación de aspectos se unen al concreto, es decir, no se desprenden al alcanzar su esfuerzo último, por lo que son altamente eficientes en términos estructurales.
Sección Fibra
Tipo II
Lámina ondulada
L = 25 a 63 mm
Fibra por trefilación H
D
Tipo V
E
Aplicaciones
• Losas de entrepisos: como acero para retracción de fraguado en losas macizas, con Steel Deck y otros. • Losas de pisos: en bodegas de almacenamiento, plantas industriales, centros comerciales, parqueaderos, edificios o cámaras frigoríficas. • En túneles: concreto lanzado en dovelas, domos y paredes. • Estabilización de taludes: concreto lanzado en cortes de taludes. • Pavimentos tanto exteriores como interiores. • Pavimentos de concreto. • Pisos de concreto para uso residencial. • Estructuras hidráulicas. • Puentes. • Aeropuertos. • Canales para transporte de agua.
Construcción Metálica 18
Foto: ShutterStock
Las fibras de acero –como refuerzo del concreto– pueden emplearse en múltiples aplicaciones, entre las que destacan:
67
materiales
Modo de empleo Las fibras de acero se adicionan al concreto fresco durante el proceso de mezclado, según cada uno de los siguientes procedimientos:
1. Preparación en planta Las fibras se deben adicionar con la arena y los agregados, nunca como primer componente en la mezcla de concreto. El concreto con fibra debe ser mezclado de 4 a 5 minutos a máxima velocidad alrededor de 12 rpm.
2.1. Preparación en mixer o trompo Adicionar las fibras después de la arena y la gravilla, pero antes del agua. Después de adicionarlas, se debe continuar mezclando a velocidad máxima de 70 rotaciones por 4 a 5 minutos.
2.2. Preparación manual Si no se dispone de un trompo mezclador, es posible revolver los componentes con una pala hasta conseguir una mezcla de densidad uniforme. Para obtener la plasticidad necesaria para manipular la mezcla con facilidad, se debe utilizar la menor cantidad de agua posible.
3. Vaciado del concreto La mezcla puede vaciarse directamente del mixer o trompo, o mediante sistemas de bombeo (bomba estacionaria o autobomba).
4. Afinado del concreto Pueden usarse tanto vibradoras como alisadoras de pavimento manuales o mecánicas.
68
Beneficios de las fibras de acero • Mayor velocidad de aplicación: como no requiere instalar acero de refuerzo, se aumenta el volumen de concreto instalado en un 35 %. • Distribución homogénea del refuerzo (refuerzo tridimensional en toda la losa), con un control eficaz de fisuras en placa. • Un concreto más dúctil, con mejor resistencia a la fatiga y al impacto, y mayor capacidad de carga. • Mejor comportamiento a las variaciones de temperatura. • Aumenta el tiempo de vida útil del concreto hasta en 10 veces. • Compatibilidad con todos los tipos de cementos y mezclas. • Incrementa los esfuerzos a tensión y a cortante del concreto. • Se evitan los problemas de corrosión, debido a que no existe continuidad en el acero. • Como refuerzo del concreto sustituye a la malla electrosoldada y, en algunas ocasiones, a la varilla. Esto repercute en un procedimiento constructivo más rápido y un mejor costo-beneficio. • Reducción del espesor de la losa hasta en un 10 % sin perder resistencia. • No hay desperdicio de material, se disminuyen los costos de transporte del mismo, y baja el presupuesto para mantenimiento. • No requiere la contratación de mano de obra o equipos especializados. • Disminución de juntas de dilatación (mayor distancia entre juntas). • Reduce el agrietamiento producido por retracción de fraguado y asentamiento plástico del concreto.
Construcción Metálica 18
materiales
7 aportes de las fibras al concreto La adición de fibras de acero al concreto le proporciona las siguientes características: 1. Las fibras de acero “cosen” las fisuras del concreto formando un “puente” entre los agregados gruesos, para posibilitar la formación controlada de las fisuras. Esto conduce al concreto a un comportamiento dúctil después de la fisuración inicial, que evita la fractura frágil. 2. Mejoran la resistencia a tracción, flexión y corte, con lo que generan un aumento de la capacidad portante. 3. Proporcionan una capacidad adicional de resistencia, debido a la redistribución del momento plástico en caso de solicitaciones localizadas. 4. Logran alta resiliencia (capacidad de absorción de energía en el impacto) y resistencia al impacto para solicitaciones dinámicas. 5. Contribuyen con un refuerzo uniforme en tres direcciones. De esta manera convierten al concreto en un material isótropo y homogéneo, con igual rendimiento en todas las direcciones y mejor control de fisuras. 6. Debido a las características isotrópicas y a la repartición uniforme de fibras en toda la estructura, son ideales para cargas sin punto de aplicación definida. 7. Estudios recientes indican que el uso de fibras de acero junto con un armado tradicional redunda en resultados excepcionales en el comportamiento bajo cargas sísmicas.
Material cementante
Agregado
Material cementante Extensión de la fisura Fibras de acero
Especificaciones técnicas Existen seis propiedades de las fibras de acero que deben considerarse al momento del diseño: 1. La geometría de la fibra. 2. Las deformaciones de la fibra (que aumentan la cohesión del concreto). 3. Las propiedades físicas del acero. 4. El empaque de la fibra para facilitar la mezcla. 5. La dosificación (20 a 30 kg/m3). 6. El procedimiento constructivo.
Agregado
Extensión de la fisura
Corte A-A
Vista superior A
A
Refuerzo con malla electrosoldada
Construcción Metálica 18
A
A
Refuerzo con fibras de acero
FUENTES 1. Norma ASTM A-820 (Standard Specification for Steel Fibers for Fiber Reinforced Concrete). 2. Norma ASTM C-1116 (Standard Specification for Fiber Reinforced Concrete and Shotcrete). 3. Reglamento Colombiano de Construcción Sismorresistente NSR-10. 4. Lloyd International.
Ingeniero Jair Antonio Cárdenas Ramírez Ingeniero civil especializado en diseño de estructuras (Universidad Nacional de Colombia) y director del Área Técnica y Proyectos del Consorcio Metalúrgico Nacional Ltda. (Tubos Colmena).
69