Prueba unitaria: Anclaje

Introducción 

En este artículo, presentamos un estudio de prueba unitaria destinado a la verificación del CSFM 3D del comportamiento de arranque de anclajes de hormigón mediante una comparación directa con resultados experimentales^[1]. El enfoque de nuestra investigación reside en evaluar las capacidades predictivas de los modelos numéricos para capturar los aspectos clave del comportamiento del anclaje, incluidos los modos de fallo y la capacidad última. Nuestro estudio abarca una amplia gama de diámetros de anclaje, desde 10 mm hasta 32 mm, lo que refleja la variabilidad encontrada en escenarios de ingeniería práctica. Esto nos permite discernir tendencias dependientes del diámetro y evaluar la robustez del CSFM 3D a diferentes escalas. Cabe destacar que todas las simulaciones se realizan dentro del CSFM 3D, un método implementado en IDEA StatiCa Detail, utilizando la configuración predeterminada para todos los parámetros. 

Definición de modos de fallo

Para evaluar el rendimiento del CSFM 3D en la modelización de anclajes postinstalados adheridos, debemos considerar dos modos de fallo: arranque, donde la tensión de adherencia (τ_b) es igual a la tensión de adherencia de cálculo (τ_bd), y plastificación del propio anclaje, lo que significa que se alcanza la deformación plástica límite plastic strain.

Configuración de la prueba unitaria

En este estudio, los anclajes Hilti HIT-RE500 - SD Injectable Mortar with Reinforcement (500B) fueron modelizados en IDEA StatiCa Detail y los resultados se compararon con los datos experimentales^[1]. 

Las dimensiones de los bloques de hormigón y su armadura se consideraron cuidadosamente para mitigar cualquier efecto potencial sobre el comportamiento de arranque, garantizando así la validez de los resultados experimentales^[1]. Se utilizó un tamaño de bloque de hormigón para todas las pruebas unitarias de anclaje (1,0x1,0x0,5 m; AxPxH). El bloque está armado con barras de acero B 500B y diámetro de 8-14 mm. 8 capas de barras alrededor de cada superficie (excepto la superficie inferior, las armaduras se modelizan como continuas a través del apoyo inferior) con una distancia de capa de 135,0 mm.  Todos los coeficientes de seguridad prescritos por los códigos de construcción pertinentes se respetaron rigurosamente, con un valor de 1,0 empleado en todos los cálculos. El tamaño del orificio del anclaje en comparación con el diámetro del propio anclaje no se consideró explícitamente en el modelo de cálculo.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.1 Side view of a reinforced concrete block with glued in anchor}}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.2 View of a reinforced concrete block with highligted anchor. Diameter of anchor equals to 16 mm }}}\]

La resistencia de adherencia del anclaje, un parámetro crítico en el diseño de anclajes, se determinó en 15,4 MPa según las consideraciones experimentales^[1], y 12,0 MPa para el segundo modelo de verificación. Del mismo modo, según el experimento, la longitud de empotramiento del anclaje en el bloque de hormigón se determinó de forma consistente. En el modelo se consideraron los 50 mm adicionales de longitud del anclaje por encima del bloque de hormigón a los que se aplicó la fuerza de tracción axial. En esta prueba, se compararon anclajes con diámetros de 10 mm, 12 mm, 16 mm, 20 mm, 25 mm y 32 mm con los resultados experimentales. Las configuraciones experimentales se resumen en la Tabla 2.2.

Utilizando un modelo de bloque sólido CSFM 3D, el análisis abarca un examen exhaustivo de diversos aspectos, incluidas las características de arranque del anclaje, la determinación de los umbrales de carga críticos y la predicción matizada de los modos de fallo. 

Propiedades de los materiales

Las propiedades de los materiales del hormigón, la armadura y el anclaje utilizados en el análisis CSFM se resumen en la Tabla 2.2. El límite elástico (\(f_{yk}\)) y la tensión última (\(k \times f_{yk}\)) de la armadura, así como la resistencia a compresión (\(f_{ck}\)), la deformación plástica (\(\epsilon_{c2}\)) y la deformación plástica límite (\(\epsilon_{cu2}\)) del hormigón, se seleccionaron en función de las condiciones indicadas en las observaciones del experimento. La resistencia de adherencia también está especificada por el fabricante en el prospecto proporcionado.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.3 Stress strain diagrams of materials: (a) Stress-strain diagram of reinforcement B 500B, (b) Stress-strain diagram of concrete C30/37 }}}\]

Comparación con resultados experimentales 

Esta sección compara los resultados experimentales del fabricante con las cargas últimas y los modos de fallo predichos por el CSFM 3D. Seis instancias de carga última de arranque, correspondientes a varios diámetros de anclaje, se compararon con los resultados del CSFM 3D. Además, se determinó un modo de fallo específico para cada diámetro de anclaje.

Modos de fallo y cargas últimas

La Tabla 2.4 presenta un resumen exhaustivo de las cargas últimas registradas en los ensayos experimentales (P_u,exp) y las predichas por el CSFM 3D (P_u,3D-CSFM), junto con los modos de fallo correspondientes. Las relaciones superiores a uno indican que las predicciones del modelo son conservadoramente superiores a los valores medidos. Como se evidencia en la Tabla 2.4, los modos de fallo primarios predichos por todos los análisis CSFM 3D son consistentes con los hallazgos experimentales, aunque se observan algunas discrepancias en subtipos de fallo específicos para diámetros mayores. Las predicciones del CSFM 3D son generalmente precisas, con tendencias ligeramente conservadoras indicadas por relaciones superiores al 100% para los diámetros mayores. 

Adicionalmente, los valores de (\(P_{u,bar}\)) y (\(P_{u,bond}\)) fueron calculados y añadidos a la tabla.

\(P_{u,bar}=A_{bar}\cdot k \cdot f_{yk}\)

\(P_{u,bond}=C_{bar}\cdot l_{bar} \cdot \tau_{bd}\)

Donde (\(A_{bar}\)) es el área del anclaje, (\(C_{bar}\)) es la circunferencia del anclaje y (\(l_{bar}\)) es la longitud del anclaje en el hormigón.

Se puede observar, a partir de los valores presentados anteriormente, que el experimento está diseñado para demostrar que el solver es capaz de calcular correctamente los modos de fallo combinados de arranque y plastificación del anclaje (YA).

Además, se calcularon los mismos modelos con la resistencia de adherencia de (\(\tau_{bd} = 12.0 MPa\)) y se compararon con los valores determinados analíticamente de (\(P_{u,bond}\)).

La Figura 1.4 corrobora los resultados indicados en la Tabla 2.4 al mostrar que se alcanza la capacidad total de la tensión de adherencia así como la deformación límite, lo que consecuentemente lleva a que el modo de fallo se identifique como arranque y plastificación del anclaje (YA).

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.4 Anchor 16 mm: Strain check value (left) and Bond stress (right) }}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.5 Anchor 32 mm: Stress flow view }}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.6 Anchor 25 mm: Stress in the reinforcement }}}\]

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.7 Anchor 20 mm: Strain in the reinforcement }}}\]

Conclusión 

La comparación entre los datos experimentales^[1] y la versión beta del CSFM 3D indica una correlación satisfactoria. Los aspectos clave de esta evaluación preliminar incluyen:

• Se ha establecido una fuerte correlación para todos los anclajes, evidente en los modos de fallo observados en los modelos y en los valores de las cargas últimas. 
• Aunque el CSFM 3D todavía se encuentra en su fase beta, su alineación con los hallazgos experimentales destaca su potencial utilidad. Este acuerdo proporciona cierta validación de la eficacia de la herramienta, aunque debe interpretarse con cautela dado su estado de desarrollo.

Referencias 

[1] - HILTI. Hilti HIT - RE500 - SD Injectable Mortar with Rebar (500B). HILTI CORPORATION. Https://www.hilti.com.hk/ [online]. 2016 [cit. 2024-04-22]. Disponible en: https://www.hilti.com.hk/medias/sys_master/documents/h86/h89/9485674512414/Submittal-ASSET-DOC-LOC-8336225.pdf