Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural · 2017-10-09 · expansión de fabricación nacional...

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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

RESISTENCIA DE ANCLAS DE EXPANSIÓN TIPO TX EN CONCRETO DE AGREGADO

CALIZO SUJETAS A TENSIÓN Y CORTANTE

Jorge Alberto Vivas Pereira 1, Jorge Luis Varela Rivera

2, Daniel González Alegría

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RESUMEN

En este trabajo de investigación se presentan los resultados del ensaye de anclas de expansión de torque

controlado tipo TX. Se estudiaron en el laboratorio 60 anclas de 12.7 mm de diámetro, 40 sujetas a tensión y

20 a cortante. Las anclas se instalaron en losas de concreto con dos diferentes resistencias a compresión axial

y se ensayaron ante cargas estáticas incrementales. Con base en los resultados experimentales se determina la

resistencia a tensión y cortante de las anclas, se identifican los tipos de falla y se proponen modelos analíticos

simples para predecir dichas resistencias.

ABSTRACT

In this research work the results of TX expansion torque-controlled anchors tested in the laboratory are

presented. 60 anchors of 12 mm diameter are studied, 40subjected to tension forces and 20 to shear forces.

Anchors were installed in concrete slabs with two different axial compressive strengths, and were subjected to

incremental static forces. Based on the experimental results the tensile and shear strength of the anchors are

determined, typical failure types are identified and simplified analytical models are proposed for predicting

those strengths.

INTRODUCCIÓN

En la industria de la construcción se emplean generalmente dispositivos mecánicos para la unión de diversos

elementos a la estructura, como son plafones, escaleras, faldones, barandales, vigas, armaduras, etc. La unión

puede realizarse utilizando anclas metálicas, las cuales pueden ser colocadas antes del colado del concreto,

llamadas anclas pre-instaladas, o después de que el concreto a alcanzado cierta resistencia, llamadas anclas

post-instaladas. En México se comercializan anclas post-instaladas de expansión del tipo de torque

controlado (anclas de expansión) de diferentes marcas. Algunos fabricantes han realizado pruebas de sus

productos de anclaje, generalmente marcas de origen europeo, cuyas investigaciones se han llevado a cabo en

concretos fabricados con agregados diferentes a los de origen calcáreo, de manera que el diseñador, en esos

casos, cuenta con la información técnica necesaria para revisar las uniones; para algunos tipos de anclas de

expansión de fabricación nacional y de importación, se carece de información sobre su resistencia a tensión y

a cortante, tal es el caso de las de torque controlado tipo TX, comercializadas y usadas en estructuras de

concreto fabricadas con agregado calizo en la región peninsular yucateca.

Lo anterior motivó el desarrollo de una investigación experimental, cuyo objetivo fue determinar la

resistencia a tensión y a cortante de anclas tipo TX, sometidas a cargas estáticas incrementales. Se estudiaron

1 Universidad Autónoma de Yucatán, Facultad de Ingeniería, Avenida Industrias no Contaminantes

por Anillo Periférico Norte s/n, Mérida, Yucatán, México. Teléfono (55) 9999 300578;

[email protected] 2 Universidad Autónoma de Yucatán, Facultad de Ingeniería, Avenida Industrias no Contaminantes

por Anillo Periférico Norte s/n, Mérida, Yucatán, México. Teléfono (55) 9999 300550, Ext. 1074;

[email protected]

3 Universidad Autónoma de Yucatán, Facultad de Ingeniería, Avenida Industrias no Contaminantes

por Anillo Periférico Norte s/n, Mérida, Yucatán, México. Teléfono (55) 9999 300550, Ext. 1018;

[email protected]

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mailto:[email protected]

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2


en el laboratorio 60 anclas de 12.7 mm de diámetro, 40 sujetas a tensión y 20 a cortante. Las anclas se

instalaron en losas de concreto con dos diferentes resistencias a compresión axial. Con base en los resultados

experimentales se determina la resistencia a tensión y cortante de las anclas y se proponen modelos analíticos

simples para predecir dichas resistencias

ANCLAJE DE EXPANSIÓN TIPO TX

Existen dos grupos básicos de anclajes de expansión: los anclajes de torque controlado y los de

desplazamiento controlado. En el anclaje de expansión de torque controlado la resistencia se desarrolla al

aplicar un torque en la tuerca, por la expansión de una o más camisas u otros elementos contra los lados de la

perforación realizada en la estructura de concreto, lo que produce el desplazamiento del mandril o cono

inferior hacia la camisa de expansión. En la Figura 1 se presentan tres tipos de anclas post-instaladas de

torque controlado.

Figura 1 Tipos de anclas post-instaladas de torque controlado

El ancla tipo TX (Figura 2) es un anclaje del tipo de expansión de torque controlado que consiste en un perno

de acero, una camisa de expansión de chapa metálica y un conjunto de tuerca y arandela. El fondo del perno

de acero tiene un mandril uniformemente ahusado, llamado cono de expansión, cuyo extremo tiene el mismo

diámetro que la camisa de expansión. La longitud del perno que se encuentra debajo de la arandela, sin

incluir el cono, está contenida en la camisa metálica. En la parte inferior la camisa tiene ranuras

longitudinales para permitir la expansión. Al ajustar la tuerca, el cono se mueve hacia el interior de la camisa,

la expande radialmente y presiona contra la pared de la perforación.

ANCLAJE DE EXPANSION POR TORQUE CONTROLADO TX

Anclaje TX con camisa de expansión

perno de acero con punta cónica|

Camisa de expansión

Rondana

Tuerca

Figura 2 Ancla de expansión de torque controlado tipo TX

COMPORTAMIENTO DE ANCLAS POST-INSTALADAS

Para el estudio del ancla TX se identificaron los principales tipos de falla. Éstos se relacionan con el concreto

de base, el tipo de ancla y las condiciones de la perforación; a un anclaje se le puede asociar una capacidad

(1) Anclaje con camisa (2) Anclaje de cuñas (3) Anclaje con camisa

para cargas pesadas

3


dependiendo del tipo de falla. A continuación se revisan, para la tensión y el cortante, los tipos de falla de las

anclas post-instaladas de torque controlado.

Tipos de falla en anclas post-instaladas sujetas a tensión

Shirvani (1998), describe las fallas para las anclas sometidas a tensión como: falla del acero, falla por ruptura

de un cono de concreto, falla por extracción del ancla o perno del ancla, falla por ruptura lineal del concreto y

falla por efectos de proximidad al borde.

La resistencia del acero del ancla controla la falla si la longitud embebida es suficiente para excluir la falla del

concreto y si las fuerzas de expansión son suficientemente elevadas para excluir la falla por extracción. El

modo de falla consiste en la ruptura del acero del perno del ancla. La falla del acero depende de la longitud

de embebido y de la resistencia del material del perno. Con las propiedades del material y las dimensiones

del perno se establece el límite superior para la capacidad a tensión (Figura 3a).

Cuando la longitud embebida de un ancla es insuficiente para desarrollar la resistencia a la tensión del acero,

el modo de falla es la ruptura del concreto en forma de cono. El ángulo del cono (α) medido con respecto a

la superficie del concreto, es de alrededor de 35° cuando la profundidad efectiva de embebido es superficial y

de alrededor de 45° para profundidad efectiva de embebido profunda. La fuerza de tensión que produce la

ruptura del cono de concreto es función de la profundidad de embebido del ancla y de la resistencia a tensión

del concreto (Figura 3b).

En anclas de expansión la falla por extracción ocurre cuando la fuerza de expansión es pequeña y no se

desarrolla la resistencia del acero del perno, ni la resistencia de extracción del cono de concreto. La causa

puede ser una perforación sobredimensionada. En concretos de baja resistencia, como los de agregados

calizos, la falla por extracción puede producirse por la deformación de la pared de la perforación. La carga de

falla por extracción del ancla depende del coeficiente de fricción entre la superficie de la camisa y los lados de

la perforación y de la fuerza de expansión en la falla, la cual varía con la profundidad del orificio y las

propiedades del concreto (Figura 3c).

La falla por ruptura lineal del concreto en un plano que contiene al eje de anclaje, ocurre cuando las

dimensiones del elemento base son reducidas, cuando las anclas se encuentran próximas a los bordes o entre

sí o con fuerzas de expansión elevadas (Figura 3d).

Si un ancla se coloca cerca de un borde libre y tiene una profundidad efectiva de embebido grande en

comparación con la distancia al borde, los esfuerzos de aplastamiento producidos por la expansión en el

extremo inferior pueden producir que el concreto, entre la cabeza del ancla y la superficie libre adyacente del

borde, se fracture bajo la forma de un cuerpo cónico (Figura 3e)

Melcher (2000) realizó pruebas de tensión a anclas post-instaladas de expansión de torque controlado, ensayó

169 especímenes bajo acción estática y 13 especímenes bajo acción dinámica. En su trabajo describe que los

factores que afectan el comportamiento en tensión son: la resistencia del concreto, la profundidad efectiva de

embebido, la resistencia del acero y las dimensiones del ancla.

4


a)

b)

c)

d)

e)

a) falla del acero del perno,

b) Ruptura de un cono de concreto,

c) Extracción del ancla,

d) Ruptura lineal del concreto

e) Efectos de proximidad de borde

Figura 3 Fallas de anclas en tensión

Tipos de falla en anclas post-instaladas sujetas a cortante

El ancla sometida a cortante en el plano del concreto presenta varios modos de falla que dependen de la

resistencia a cortante del acero, de la resistencia a compresión del concreto que rodea al ancla, de la distancia

al borde y de la presencia de anclas adyacentes. Muratli (1998), identificó y estableció que las fallas de anclas

sometidas a cortante son: falla por ruptura del acero del ancla en cortante, falla por ruptura de un cono de

concreto en cortante y falla por desprendimiento del concreto por cabeceo del ancla.

La falla del acero en cortante ocurre al deslizar la placa base contra la superficie del concreto, una vez que se

anula la fuerza de fricción entre éstas, produciéndose cortante en el perno y algo de flexión por un ligero

aplastamiento en la superficie del concreto, hasta que se alcanza la fluencia y ruptura del acero. La falla del

acero por cortante generalmente ocurre con desplazamientos relativamente grandes y suele producirse cuando

la longitud embebida es profunda, cuando el acero es de baja resistencia y cuando se evitan fallas de borde

(Figura 4a).

La ruptura de un cono de concreto por cortante ocurre generalmente cuando el ancla está situada cerca del

borde libre de un miembro y es cargada en dirección hacia el borde. El ángulo α del cono de ruptura varía

desde valores pequeños (30°) asociados a distancias al borde reducidas, hasta ángulos mayores para distancias

al borde mayores (Figura 4b).

En la falla de extracción del concreto por cabeceo del ancla se produce el aplastamiento del concreto superior

de los bordes de la perforación en dirección de la fuerza de cortante junto con la extracción del concreto en

dirección opuesta, hasta producirse la extracción. Esto sucede generalmente en las anclas con pequeñas

profundidades de embebido (Figura 4c).

5


Aplastamiento del concreto

a)

b)

Aplastamiento del concreto

c)

Figura 4 Fallas de anclas en cortante: a) del acero del perno, b) por ruptura de un cono de concreto, c) de extracción del concreto por cabeceo del ancla

METODOLOGÍA

Para determinar la resistencia de anclas TX se desarrollaron modelos analíticos simples para predecir la

resistencia, se realizó un análisis de sensibilidad de variables para verificar cuales tienen mayor influencia en

la resistencia, se diseñaron y construyeron las losas de anclaje, los extractores y la instrumentación para cada

proceso de prueba. Se realizaron ensayes para establecer la resistencia mecánica del acero del perno del ancla

y se efectuó la verificación experimental de la resistencia a tensión y a cortante con el ensaye de 60 anclas

colocadas en las losas de prueba. Para los procesos de prueba, se consideró la especificación de la norma

ASTM E 488-96 (2003).

DESARROLLO DE MODELOS ANALÍTICOS

Los modelos analíticos del ancla TX se establecieron con base en los tipos de falla de anclas de torque

controlado identificados. Se estudiaron tres tipos de falla para las anclas en tensión: falla del acero, falla por

extracción de un cono de concreto y falla por extracción del ancla. Para las anclas en cortante se estudiaron

dos tipos de falla: falla del acero, y falla de extracción del concreto por cabeceo del ancla. Los efectos por

proximidad al borde se evitaron siguiendo las recomendaciones del ACI 349.2R-07. En la Tabla 1 se

presentan los modelos desarrollados para predecir la resistencia de las anclas TX a tensión y a cortante.

6


Tabla 1 Modelos para la resistencia de anclas TX

Estado límite

Modelo

Variables

tensi

ón

Falla del acero

utu FATs

Ecuación 1

Tu = resistencia última a tensión (kg) Fut = resistencia a tensión del acero del perno

del ancla TX (kg/cm2)

As = área efectiva en la raíz de las roscas (cm2)

Falla por extracción de un cono de concreto

)('

lccucn AfKT

Ecuación 2

Tucn = resistencia última a tensión (kg) Alc = área lateral del cono de falla (cm

2)

fć= resistencia a compresión del concreto K = factor de calibración

Falla por extracción del ancla

'

expexp cu fAT

Ecuación 3

Tuexp = resistencia última a tensión (kg) Aexp = área de expansión de camisa (cm

2)

fć= resistencia a compresión del concreto

cort

ante

Falla del acero

utu FAVs

6.0

Ecuación 4

Vu = resistencia última a cortante (kg) Fut = resistencia a tensión del acero del perno

del ancla TX (kg/cm2)

As = área efectiva en la raíz de las roscas (cm2)

falla de extracción del concreto por cabeceo

del ancla

ef

lctu h

drAfV

2

2

2

exp

Ecuación 5

Vu = resistencia ultima a cortante (kg) ft = resistencia a tensión del concreto (kg/cm

2)

Alc = área lateral del cono de concreto de falla en tensión (cm

2)

r = radio de la base mayor del cono de concreto de falla en tensión (cm)

dexp = diámetro de expansión (cm) hef = profundidad efectiva de embebido

IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES Y ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD

Las variables mecánicas y geométricas que se relacionan con la resistencia de anclas TX se presentan en la

Tabla 2.

Tabla 2 Variables geométricas y mecánicas, anclas TX

Variables mecánicas Variables geométricas Fut = resistencia a tensión del perno del ancla (kg/cm

2)

f’c = resistencia a compresión del concreto (kg/cm2)

dn = diámetro nominal del ancla (cm) hef = profundidad efectiva de embebido (cm) m = proximidad de perforaciones a los bordes (cm) s = separación entre anclas adyacentes (cm) t = espesor de la base de concreto (cm)

Con base en la viabilidad de la investigación se consideró como variables de estudio el diámetro nominal del

ancla dn, la profundidad efectiva de embebido hef, la resistencia a tensión del perno del ancla Fut y la

resistencia a compresión del concreto fć. Posteriormente la resistencia a tensión del perno se descartó como

variable debido a que los dispositivos se fabrican con un tipo de acero de resistencia controlada. Se realizó un

análisis de sensibilidad para establecer la influencia de las tres variables restantes, diámetro nominal,

profundidad de embebido y resistencia a compresión axial del concreto en la resistencia a tensión. Se utilizó

7


para el análisis, el modelo analítico de la resistencia por extracción de cono de concreto presentado en la

Tabla 1. En la figura 6 se presentan los resultados. En el eje vertical se representa la resistencia a tensión y en

el eje horizontal los valores de la variable en estudio en análisis sucesivos.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Re

sis

ten

cia

últ

ima

a te

ns

ión

(k

g)

Número de análisis

Análisis de sensibilidad

T(fc)

T(hef)

T(d)

Figura 6 Análisis de sensibilidad de variables, resistencia en tensión

Con base en el análisis de sensibilidad se estableció que la profundidad efectiva de embebido hef es la variable

de mayor influencia en la resistencia a tensión del ancla TX, se observa que al aumentar el valor de hef se

producen incrementos importantes en la resistencia última. La resistencia a compresión del concreto f‟c y el

diámetro nominal del ancla dn son la segunda y tercera variables de mayor influencia. Las anclas TX en

estudio se fabrican con profundidad de embebido constante para cada diámetro. Se estudió la resistencia de

anclas de un solo diámetro (12.7 mm), variando la resistencia a compresión del concreto f´c de las losas de

anclaje.

DISEÑO EXPERIMENTAL

El diámetro de ancla a estudiar fue de 12.7 mm, las anclas se colocaron en puntos aleatorios de seis losas que

se fabricaron con concretos de agregado calizo de dos valores de resistencia a la compresión, 150 kg/cm2

(15.3 MPa) y 200 kg/ cm2 (20.4 MPa). Con base en la norma ASTM E 488-96, se programó realizar las

pruebas que se muestran en la tabla 3.

Tabla 0 Número de pruebas a realizar con anclas TX de 12.7 mm de diámetro.

f’c de la losa

(kg/cm2) Tensión Cortante Tensión-cortante

150 20 10 20

200 20 10 20

Total de ensayes 40 20 40

CONSTRUCCIÓN DE LAS LOSAS DE ANCLAJE

Para la construcción de las losas se usaron agregados calizos provenientes de una planta de triturados que

cubre el 30% del mercado local, se realizaron pruebas de laboratorio para conocer las propiedades físicas y

realizar el diseño de las mezclas de concreto. En las Figuras 7 y 8 se presenta las curvas granulométricas de

los agregados grueso y fino usados para la construcción de las losas de anclaje. Los análisis se realizaron de

8


acuerdo con las especificaciones de ASTM C-29 C-127, C-128 y C-136. En las Tablas 4 y 5 se presentan los

resultados.

LS-ASTM

LI-ASTM

Material

1'' 3/4''

No.4''3/8''

No.8''

ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO (ASTM C 136)

No. MALLAS

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

PO

RC

EN

TA

JE

QU

E P

AS

A

0

20

40

60

80

100

120

PO

RC

ENTA

JE Q

UE

PASA

MALLAS No.

ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO (ASTM C 136)

LI ASTM

LS ASTM

Mat. Prueba

No.100 No.50 No.30 No.4No.16 No.8 No.3/8''

Figura 7 Análisis granulométrico del agregado grueso

Figura 8 Análisis granulométrico del

agregado fino

Tabla 4 Propiedades físicas del agregado grueso.

PVSS (kg/m

3)

PVSC (kg/m3)

Gravedad específica aparente (SSS)

Gravedad específica aparente seca.

% de absorción

1075 1171 2.31 2.14 8.26 %

Tabla 5 Resultados de pruebas físicas al agregado fino.

PVSS (kg/m3)

Gravedad específica aparente(SSS)

Gravedad específica aparente seca.

% de absorción

1281 2.29 2.13 7.30

Diseño de las mezclas de concreto Con las propiedades de los materiales, arena y grava, se diseñaron mezclas de concreto de resistencias de 150

kg/cm2 (15.3 MPa) y 200 kg/ cm

2 (20.4 MPa), de acuerdo con ACI 211. El número y dimensiones de las

losas de anclaje se establecieron con base en la cantidad de anclas a ensayar. Las losas fueron de 1.70 x 1.30

x 0.15 m (Figura 9) para colocar 20 anclas por losa con un área de trabajo efectivo por ancla de 900 cm2 para

evitar problemas de proximidad o efectos de bordes.

Figura 9 dimensiones de las losas de anclaje

9


Número de losas de anclaje En total se construyeron seis losas, tres con concreto de f’c=150 kg/cm

2 (15.3 MPa) y tres con concreto de

f’c = 200 kg/cm2

(20.4 MPa). El espesor de las losas fue de 15 cm de acuerdo con la norma ASTM E488-96,

que especifica que debe ser de al menos 1.5 veces la profundidad efectiva de embebido (hef) del ancla en

estudio. Para las TX de 12.7 mm, la hef = 6.42 cm y el espesor mínimo de 9.63 cm. Se colocó refuerzo a base

de malla electro soldada 6x6-10/10 con recubrimiento inferior de 2.5 centímetros para evitar el agrietamiento

inferior al moverlas a la posición de ensaye (Figura 10a). Durante la fabricación se tomaron muestras del

concreto para elaborar especímenes cilíndricos que se ensayaron para verificar la resistencia a compresión

axial del concreto f´c . Las losas fueron curadas con agua durante los primeros 7 días de edad (Figura 10b) y se

mantuvieron a temperatura y humedad ambiente hasta la colocación y ensaye de las anclas TX.

a)

b)

c)

Figura 10 losas de anclaje, a) refuerzo inferior, b) curado, c) losas terminadas

GEOMETRÍA Y CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL ANCLA TX DE 12.7 MM DE DIÁMETRO

Se realizó la determinación de la geometría y características físicas de una muestra de anclas tipo TX de 12.7

mm de diámetro, obteniéndose las dimensiones de las diferentes partes que las componen: camisa, perno,

cono de expansión, tuerca y rondana. Se obtuvieron las dimensiones del diámetro en diferentes secciones del

perno del ancla, los pesos del perno, la tuerca y la rondana. Se efectuaron mediciones del espesor de la

camisa de expansión, la longitud efectiva de embebido, la longitud efectiva roscada y la longitud total del

perno (figura 11).

ANCLAJE DE EXPANSION POR TORQUE CONTROLADO TX

Anclaje TX con camisa de expansión

perno de acero con punta cónica|

Camisa de expansión

Rondana

Tuerca

Figura 11 Propiedades del ancla TX.

10


PROCESOS DE PRUEBA

Prueba de tensión

La prueba de tensión de las anclas TX de 12.7 mm de diámetro se realizó mediante los siguientes pasos: Se

perforó la losa con broca de 16 mm con un taladro eléctrico de velocidad variable, la perforación se realizó

perpendicular a la superficie de la losa para el adecuado desempeño del ancla. Se limpió el orificio retirando

el polvo y productos del barrenado. Se instaló el ancla con un martillo manual, se aplicó el torque al ancla a

través de la tuerca; fijando la placa inferior del arnés de extracción con la superficie de concreto. El torque

que se aplicó a las anclas fue de 4.5 vueltas después de su apriete manual para anclas instaladas en concreto

con un f`c= 150 kg/cm2 de diseño y de 3.5 vueltas después del apriete manual para anclas en losa de concreto

de f`c= 200 kg/cm2 de diseño. El arnés de extracción se conectó con la viga del extractor mediante una barra

roscada de 16 mm de acero B7, unida al gato hidráulico hueco junto con la celda de carga (Figura 12).

a) b)

Figura 12 Extractor e instrumentación de la prueba de tensión a) extractor de tensión

b) extractor e instrumentación

Se usó un potenciómetro lineal de 50 mm para el registro de los desplazamientos y una celda de carga con

capacidad de 36 toneladas conectadas a un chasis SCX1-1000 de National Instruments y éste a una PC, se usó

una rutina en Lab View para el registro de los desplazamientos y las cargas. Se usó una bomba manual para

el suministro de presión al gato hidráulico.

Prueba de cortante

La prueba de cortante de las anclas TX de 12.7 mm de diámetro se realizó mediante los siguientes pasos: Se

perforó la losa con una broca de 16 mm de diámetro con un taladro eléctrico de velocidad variable. Se

procedió a limpiar el orificio retirando el polvo y productos del barrenado. Se instaló el ancla con martillo

manual. Se siguió con la aplicación del torque, fijando la placa de cortante a la superficie de concreto. Se

aplicó el mismo torque que en las pruebas de extracción por tensión. Fijada la placa de cortante al concreto,

se instaló la viga del extractor, para la conexión se usó una barra roscada de 16 mm de diámetro atornillada

entre la placa de cortante, el gato hidráulico, y la celda de carga, (figura 13). Se usó la misma celda de carga

y sistema de adquisición de datos que en la prueba de tensión. Se usó una bomba manual para suministrar

presión al gato hidráulico y producir el desplazamiento de la placa de cortante hasta hacer fallar el ancla.

11


a)

b)

Figura 13 Extractor e instrumentación de la prueba de cortante

a) extractor de cortante b) instrumentación

En las Figuras 14 y 15 se presentan los procesos de la prueba de tensión y de cortante respectivamente.

a) Perforación de la losa

b) Limpieza del orificio

c) Instalación del ancla

d) Aplicación del torque.

e) Aplicación de fuerza de tensión

f) Agrietamiento del concreto.

g) Falla de cono de concreto a tensión.

Figura 14 Proceso de la prueba de tensión, ancla TX

12


a) Perforación de la losa

b) Limpieza del orificio

c) Instalación del ancla

c) Fijación de extractor

e) Aplicación de fuerza de cortante

f) Ruptura del perno del ancla

Figura 15 Proceso de la prueba de cortante, ancla TX

13


RESULTADOS

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y RESISTENCIA DEL ACERO DEL ANCLA

En la Tabla 6 se presentan los resultados de las mediciones se realizadas en un lote de 20 anclas TX de

12.7 mm y en la Tabla 7 los resultados de la carga última y esfuerzo último a tensión de los pernos.

Tabla 6 Propiedades del ancla TX de 12.7 mm de diámetro

Tabla 7 Resistencia última en tensión del perno del ancla TX de 12.7 mm de diámetro

No. AnclaDiámetro en raíz

de rosca (cm)

Longitud efectiva

roscada

Número de roscas en

longitud roscada

Número de roscas

por pulgada

Area tranversal en

raíz de rosca (cm2)

Carga última

(kg)

Esfuerzo último

(kg/cm2)

1 1.087 5.780 30 13.183 0.9200 5057 5497

2 1.086 5.855 30 13.015 0.9158 4340 4739

3 1.085 5.673 30 13.432 0.9259 5188 5603

4 1.076 5.719 30 13.324 0.9233 4922 5331

5 1.081 5.615 30 13.571 0.9291 5212 5610

6 1.086 5.772 30 13.202 0.9204 5022 5456

7 1.082 5.810 30 13.115 0.9183 4900 5336

8 1.085 5.826 30 13.079 0.9174 5223 5693

9 1.085 5.714 29 12.891 0.9127 5339 5849

10 1.085 5.675 30 13.427 0.9258 5012 5414

11 1.086 5.770 30 13.206 0.9205 3423 3719

12 1.085 5.797 30 13.145 0.9190 5192 5650

13 1.089 5.830 30 13.070 0.9172 4980 5430

14 1.090 5.725 30 13.310 0.9230 4231 4584

15 1.085 5.770 30 13.206 0.9205 5382 5847

16 1.085 5.549 29 13.274 0.9221 5026 5450

17 1.085 5.849 30 13.028 0.9161 5150 5621

18 1.088 5.840 30 13.048 0.9166 5226 5701

19 1.086 5.745 30 13.264 0.9219 5300 5749

20 1.085 5.770 30 13.206 0.9205 5256 5710

promedio 5399

σ 510

Cv 9.45%

14


RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE TENSIÓN

En las Tablas 8 y 9 se presentan los resultados de las pruebas de tensión de las anclas TX de 12.7 mm

colocadas en losas con f’c de 150 kg/cm2

y de 200 kg/cm2

respectivamente. En el primer caso el promedio de

la resistencia última a tensión fue de 2232 kg con un coeficiente de variación (Cv) del 7%, el promedio del

desplazamiento máximo asociado fue de 0.65 cm con un coeficiente de variación de 52%. La carga promedio

sin que se produjera desplazamiento vertical (TΔ0) del ancla fue de 1691 kg con un coeficiente de variación del

24%. En el segundo caso el promedio de la resistencia última a tensión fue de 2486 kg con un Cv de 7%, el

promedio del desplazamiento máximo asociado fue de 0.50 cm con un Cv de 48%. La carga promedio sin que

se produjera desplazamiento vertical (TΔ0) del ancla fue de 1629 kg con un Cv de 21%.

Tabla 8 Resistencia última en tensión de anclas TX de 12.7 mm, en losas de f´c = 150 kg/cm

2

Prueba PosiciónDiámetro

(mm)T ∆0 (kg)

∆ u

(cm)T u (kg) Tipo de falla

T L1-9 12.7 1861 0.52 2435

T L1-10 12.7 1611 0.44 2108

T L1-11 12.7 2110 0.28 2225

T L1-13 12.7 1163 0.51 2241

T L1-14 12.7 1406 1.11 2278

T L1-15 12.7 1607 1.07 2176

T L1-16 12.7 1542 0.54 2151

T L1-20 12.7 2264 0.26 2504

T L2-1 12.7 1947 0.53 2464

T L2-2 12.7 2194 0.21 2413

T L2-3 12.7 1613 1.39 2136

T L2-5 12.7 1406 0.69 2201

T L2-9 12.7 1980 0.70 2337

T L2-17 12.7 1817 0.50 2291

T L2-19 12.7 517 1.12 1933

T L3-7 12.7 2154 0.16 2180

T L3-8 12.7 1530 0.86 2118

T L3-9 12.7 1817 0.66 2238

T L3-15 12.7 1591 0.84 1978

Promedio 1691 0.65 2232

σ 414 0.3412 153

Cv 24% 52% 7%

Losas 1-2-3 f'c=150 kg/cm2

Cono de concreto

Tabla 9 Resistencia última en tensión de anclas TX de 12.7 mm, en losas de f´c = 200 kg/cm

2

Prueba PosiciónDiámetro

(mm)T ∆0 (kg)

∆ u

(cm)T u (kg) Tipo de falla

T L4-2 12.7 2228 0.18 2736

T L4-3 12.7 1705 0.36 2589

T L4-5 12.7 1000 0.56 2554

T L4-9 12.7 1899 0.37 2676

T L4-11 12.7 1636 1.34 2259

T L4-14 12.7 1510 0.51 2585

T L4-18 12.7 1541 0.50 2590

T L5-4 12.7 1669 0.53 2430

T L5-8 12.7 1979 0.60 2659

T L5-11 12.7 1455 0.44 2586

T L5-15 12.7 2098 0.26 2713

T L5-19 12.7 1605 0.47 2594

T L6-1 12.7 1592 0.67 2486

T L6-3 12.7 760 0.35 2401

T L6-4 12.7 1542 0.68 2420

T L6-6 12.7 1400 0.35 2211

T L6-7 12.7 1580 0.53 2440

T L6-9 12.7 1720 0.42 2303

T L6-11 12.7 1788 0.60 2381

T L6-13 12.7 1868 0.28 2112

Promedio 1629 0.50 2486

σ 335.53 0.24 172.55

Cv 21% 48% 7%

Cono de concreto

Losas 4-5-6 f'c=200 kg/cm2

15


RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE CORTANTE

En la tabla 10 se presentan los resultados de la resistencia última en cortante de las anclas en estudio.

Tabla 10 Resistencia última en cortante de anclas TX de 12.7 mm, en losas de f´c = 150 kg/cm

2 y 200 kg/cm

2

Prueba PosiciónV u

(kg)Tipo de falla

1 L1-1 2794

2 L1-3 2887

3 L1-18 3032

4 L2-13 3006

5 L2-14 3077

6 L2-18 2954

7 L3-1 3100

8 L3-6 2770

9 L3-18 3064

10 L4-1 2955

11 L4-4 2842

12 L4-6 2902

13 L5-3 3020

14 L5-9 2856

15 L5-10 3079

16 L5-18 3110

17 L6-2 3176

18 L6-5 3157

19 L6-10 3188

20 L6-16 3086

3003

σ 127

Cv 4%

Corte acero del perno

uV

CALIBRACIÓN DE MODELOS ANALÍTICOS PARA PREDICCIÓN DE LA RESISTENCIA

Falla a tensión por extracción de cono de concreto La calibración del modelo de falla de tensión por extracción de cono de concreto se realizó asumiendo un área

constante de los conos extraídos en los ensayes, se desarrolló una expresión en función de la resistencia a

tensión del concreto con un cono de falla de área constante con diámetro de base mayor de tres veces la

profundidad efectiva de embebido del ancla (3hef), base menor igual al diámetro de expansión del ancla (dexp)

y con altura la profundidad efectiva de embebido del ancla (hef), con un ángulo Ф de falla con respecto a la

horizontal de 35 grados (Figura 16); con las dimensiones del cono analítico se calculó el área constante de

falla para esfuerzos promedio de tensión del concreto expresados como Kf´c0.5

con área lateral del cono de

extracción constante de 358.6 cm2 como se presenta en la Ecuación 6 para el ancla de 12.7 mm

1500

1700

1900

2100

2300

2500

2700

2900

4000 4200 4400 4600 4800 5000 5200 5400 5600 5800 6000

Ca

rga

(k

g)

Curva de regresión ajustada de las cargas en pruebas de tensión

Cargas Exp.

Modelo anal.

olateralconc Af '

y=0.4778xR2 ajustado=0.96

Figura 16 Cono para calibración del modelo de falla a tensión

Figura 17 Ajuste del factor de calibración K del modelo de cono de falla a tensión

16


Para obtener el valor de K se procedió a representar en una gráfica de dispersión todas las cargas máximas

obtenidas de las pruebas a tensión contra los valores del modelo analítico. En el eje de las ordenadas se

colocaron los valores de las cargas obtenidas experimentalmente y en el eje de las abscisas los valores

obtenidos del modelo analítico. En la Figura 17 se presenta el diagrama de dispersión así como el ajuste de la

recta que se llevó a cabo a través de una regresión lineal por mínimos cuadrados, la Ecuación 7 es el modelo

calibrado.

)6.358('

cfKT

Ecuación 6

)(4778.0 '

olateralconc AfT

Ecuación 7

Falla del acero del ancla por cortante El modelo analítico a cortante para la falla por ruptura del acero del perno del ancla es

sAFV utn 6.0

Ecuación 8

As es el área transversal del perno en la raíz de las roscas y se calcula con:

29743.0

067.5

ndA hs

Ecuación 9

Para el ancla TX de 12.7 mm de diámetro en estudio, el área efectiva en la raíz de las roscas es de 0.922 cm2.

Fut = de 5400 kg/cm2 es la resistencia promedio a tensión del perno del ancla. Sustituyendo los valores

conocidos del ancla TX en la expresión para calcular Vn se tiene que:

kgVn 2987)kg/cm5400)(cm922.0(6.0 22

Ecuación 10

La carga de falla del modelo es de 2987 kilos. La diferencia entre la carga máxima promedio de falla

experimental (3003 kg) y la carga de falla del modelo (2987 kg) es de 16 kilos, por lo que no requiere

calibración.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

ANCLAS TIPO TX DE 12.7 MM EN CONCRETO DE AGREGADO CALIZO

PRUEBAS A TENSIÓN

En los 40 ensayes de tensión realizados, la falla se produjo por extracción de cono de concreto. El

comportamiento del ancla en tensión presenta tres etapas (Figura 18). En la primera etapa, entre los puntos A

y B de la curva, el ancla soporta la carga sin presentar desplazamiento vertical. En la segunda etapa, entre los

puntos B y C de la curva, el ancla presenta desplazamiento creciente vertical al aumentar la carga de tensión,

el desplazamiento se produce al introducirse el perno con punta cónica en la camisa de expansión, en esta

etapa se puede apreciar que la camisa de expansión se sale de la superficie de concreto (Figura 19). La tercera

etapa, entre los puntos C y D de la curva, corresponde al intervalo en que se obtiene la carga última en tensión

y el desplazamiento máximo hasta la formación del cono de concreto (Figuras 20 y 21).

17


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75

Car

ga (k

g)

Desplazamiento (cm)

Prueba de tensión /L1-9/A24/12.7 mm

Series2

A

B

C

D

Figura 18 Gráfica carga-desplazamiento típica de

ancla TX en tensión

Figura 19 desplazamiento de la camisa de

expansión antes de la falla

Figura 20 Agrietamiento del concreto a tensión

Figura 21 falla a tensión por extracción de cono

de concreto

La resistencia a la tensión obtenida del ensaye de las anclas en losas de diferente resistencia a la compresión

presenta una variación acorde con el nivel de resistencia de la base de anclaje, los valores obtenidos y los

coeficientes de variación Cv de alrededor del 7% le dan validez al modelo de resistencia a tensión.

PRUEBAS A CORTANTE

En los 20 ensayes de cortante realizados, la falla se produjo por fractura del perno y aunque se presentó cierto

aplastamiento en la parte exterior del concreto en la proximidad de la camisa y en dirección a la fuerza de

corte, la resistencia está regida por la resistencia al corte del acero del perno. El modelo analítico propuesto

para el ancla TX de 12.7 mm basado en la resistencia a cortante del perno es adecuado para predecir la

resistencia en cortante del sistema de anclaje.

18


En la Figura 22 se presenta la curva típica carga-tiempo del comportamiento del anclaje en las pruebas de

cortante y la falla del ancla en cortante se muestra en la figura 23.

0100200300400500600700800900

100011001200130014001500160017001800190020002100220023002400250026002700280029003000310032003300

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Car

ga (

kg)

Tiempo (seg)

Cortante/L2-13/A40-12.7 mm

Series1

Figura 22 Gráfica típica carga-tiempo de ancla

TX en cortante

Figura 23 Falla del perno del ancla TX a cortante

CONCLUSIONES

Con base en las pruebas realizadas a 60 anclas TX de 12.7 mm de diámetro colocadas en concreto de

agregado calizo de la región de la península de Yucatán, se presentan las siguientes conclusiones:

1. Se obtuvo la resistencia promedio en tensión para la falla por extracción de cono de concreto de

anclas colocadas en concreto de agregado calizo de dos resistencias a la compresión.

2. Se ajustó un modelo analítico para predecir la resistencia en tensión para la falla por cono de

concreto.

3. Se obtuvo la resistencia promedio para la falla en cortante de las anclas colocadas en concreto

de agregado calizo de dos resistencias

4. Se validó un modelo basado en la resistencia por fractura en cortante del perno del ancla para

predecir la resistencia a cortante de este tipo de anclaje.

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19


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