adherencia.pdf

Estudios sobre los esfuerzos de adherencia
desarrollados entre el acero y el concreto con
cabillas de diámetro 3/8", 1/2", 5/8",3/4" Y 1".
Alexander O. Cedeño M.
Johnny González N.
RESUMEN
El concreto en masa presenta una buena
resistencia a la compresión, corno ocurre en algunas
rocas naturales, pero ofrece escasa resistencia ala
tracción por lo que resulta inadecuado para elementos
estructurales que vayan a trabajar a tracción y flexión.
Pero si se refuerza el concreto en masa disponiendo
de barras de aceros en las zonas de tracción, el
elemento resultante llamado concreto armado está en
condiciones de poder absorber los distintos estados
de solicitaciones que se presenten en la construcción.
Los iniciadores del concreto armado como
material de construcción fueron los Franceses Monier y
Coignet dando para la fecha de 1861 reglas para la
fabricación de vigas, bóvedas, etc. Desde entonces a lo
largo de casi mas de un siglo y medio la técnica de
concreto armado ha experimentado un amplio
desarrollo pudiendo decirse que en la actualidad ha
llegado a ser de empleo preferente en numerosas
aplicaciones, siendo estas más amplias que las de
cualquier otro material de construcción.
El empleo del concreto armado resulta económico
y casi siempre competitivo con el acero en perfiles,
ofreciendo sobre estos la ventaja de su mayor
monolitísmo y continuidad.
La durabilidad y resistencia al fuego del concreto
son superiores a las que presenta la madera y el acero,
siempre que los recubrimientos y [a calidad de este sean
acordes con las condiciones del medio que rodea las
estructura. Sin embargo comparando con las estructura
metálicas tiene el inconveniente de conducir a mayores
dimensiones y pesos, así como a una menor rapidez de
construcción, salvo en el caso de construcciones
prefabricadas o industrializadas.
Por lo tanto uno de los fenómenos básicos sobre el
que descansa el funcionamiento del concreto armado
como material estructural es la adherencia entre el
concreto y el acero. Si no existiera adherencia las barras
de aceros o cabillas serian incapaces de tomar el menor
esfuerzo de tracción ya que el acero deslizaría sin
encontrar resistencia en toda su longitud y no
acompañaría al concreto en sus deformaciones con lo
que al fisurarse este sobrevendría bruscamente a la
rotura. Por lo contrario gracias ala misma es capaz la
armadura de trabajar inicialmente a la vez que el
concreto. Después cuando este se fisura lo hace
regularmente distribuido a lo largo de la pieza en virtud de
la adherencia, permitiendo que el acero tome los
esfuerzos de tracción, manteniendo la unión entre los dos
(2) materiales en las zonas con fisuras.
La adherencia cumple dos objetivos, asegurar
el anclaje, que esta dado por la longitud de desarrollo
de la cabilla y transmitir los esfuerzos tangenciales
periféricos que aparecen en la armadura principal
como consecuencia de las variaciones de su tensión
longitudinal. Además dicho fenómeno de adherencia
está originado por dos tipos de causas, una de
naturaleza físico - química y otra de naturaleza
mecánica donde interviene [a longitud de desarrollo.

5 6
La primera provoca la adhesión de acero y
concreto a través de fuerzas capilares y moleculares
desarrolladas en la interface, donde el acero absorbe
pasta cementarte ayudado por el efecto de retracción.
La segunda en la cual se concentra nuestro
estudio, está constituido por la resistencia al
deslizamiento debido a la penetración de la pasta de
cemento en las irregularidades de la superficie de las
barras de acero. Esta causa de origen mecánico que
puede denominarse rozamiento, depende en gran parte
de la longitud de desarrollo que tenga la barra sembrada
dentro del concreto, así como el efecto de acuñamiento
entre el concreto y los resaltos o estrías de las cabillas.
Como la longitud de desarrollo de una armadura
es función de sus características geométricas de
adherencia, de la resistencia del concreto, de la
posición de la barra con respecto al concreto, del
esfuerzo en la armadura y de la forma del dispositivo
de anclaje por ello su cálculo es complicado y aún
cuando el fallo del anclaje es un estado límite que
debería dar origen en rigor al cálculo semiprobabilistico
correspondiente en la práctica se sustituye por el
empleo de longitudes de desarrollo dadas por fórmulas
sencillas que tienden hacia el lado de la seguridad,
pero incidiendo en forma contundente en el costo
económico que la misma acarrea.
Cuando se proyecta una obra civil, uno de los
aspectos en los que se tiene cuidado al momento de
diseñar es la adherencia y en especial la longitud de
anclaje. La razón fundamental en la determinación de
las longitudes de desarrollo se debe a que las vigas
sometidas a grandes solicitaciones tienden a agrietarse
si los recubrimientos son delgados; produciéndose por
consiguiente grietas en el plano de las barras. La
longitud de desarrollo consiste por lo tanto, en la
prolongación de la cabilla una cierta distancia mas allá
de las secciones de esfuerzos máximos en el acero,
para así asegurarla unión acero-concreto; sin embargo
el prolongar demasiado las cabillas pudiera significar
un gasto innecesario.
Desde hace varias décadas se ha venido
estudiando la adherencia acero-concreto siendo Baus
(1965), quien realizó múltiples ensayos para aceros con
distintos esfuerzos de cedencia y con diferentes
longitudes de anclaje, definiendo de esta manera las
expresiones que miden las longitudes prácticas de
desarrollo en función de la resistencia del concreto y de
las longitudes de anclajes experimentales. Más tarde en
nuestro pais Ramos (1967) repite la experiencia pero
sólo para cabillas de limite elástico 2400 Kg/cm
²
,
definiendo de esta forma una expresión que calculara la
longitud práctica de anclaje para aceros con estas
características. No fue sino hasta 1971 cuando las
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Normas ACI introducen en forma explícita la longitud
de desarrollo satisfaciendo en un todo los
requerimientos de adherencia por flexión y por anclaje.
En este Trabajo Especial de grado, el estudio se
realizó en cabillas de acero especial por composición
química A-42, con un limite elástico convencional de
4200 Kg/cm
²
, de diámetros 3/8", 1/2". 518". 3/4" 1". y
las /longitudes practicas de desarrollo fueron de
y
En total se ejecutaron 45 ensayos de extracción
(Pull-Out) y 27 ensayos a compresión. A partir de los
resultados se presenta una fórmula par la deter-
minación de las longitudes de desarrollo la cual viene
en función de los esfuerzos de adherencia corres-
pondiente a una determinada longitud de desarrollo
experimental y de la resistencia del concreto.
Finalmente, se hace una comparación de los
resultados obtenidos en el presente trabajo, con las
normas COVENIN-MINDUR, y con los resultados
obtenidos por Baus en su trabajo titulado "Algunas
consideraciones acerca de la adherencia acero-
concreto ".
Descripción del ensayo de extracción Pull-out
Consiste en someter a la cabilla embutida en el
cilindro de concreto a una fuerza de compresión sobre
el cilindro, ambas iguales pero de sentido contrario.
Por medio de este ensayo se busca medir los
esfuerzos de adherencia que se desarrollan entre el
concreto y el acero. Para determinar estos esfuerzos
basta con dividir la fuerza de tracción requerida para
producir un deslizamiento del extremo de la cabilla entre
el área real de la sección transversal de la misma. Es
importante señalar que el ensayo arroja valores de
esfuerzos de adherencia superiores a los que se
obtendrían en un modelo real, como por ejemplo vigas
sometidas a flexión, causados por la fricción existente
entre la cara inferior de la probeta y el cabezal de la
máquina de ensayo, produciéndose esfuerzas de
compresión que favorecen a la adherencia.
Es recomendable colocar en el modelo un
refuerzo en espiral, para evitar una falla del concreto
por tracción indirecta, que impedirla conocer los
esfuerzos máximos de adherencia que es capaz de
desarrollar la cabilla.
RESULTADOS DE LOS ENSAYOS
Una vez finalizado los ensayos, se procedió a
elaborar los gráficos de esfuerzos — deslizamiento. En
cada uno de los gráficos se presentan los resultados

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de las tres probetas ensayadas para un diámetro y una
longitud de desarrollo dada. Finalmente, en las gráfi-
cas III-1 al 111-5 aparecen la curva promedio para
cada diámetro y longitud de desarrollo.
En las tablas 111-1 al 111-5 se presentan los
resultados del cálculo de los esfuerzos de adherencia
correspondientes a un esfuerzo en el acero capaz de
producir un deslizamiento de 0.1 mm en el extremo
libre de la barra, mediante la expresión:
Donde:
diámetro de la barra utilizada.
Esfuerzo en el acero capaz de producir un
deslizamiento 0.1 mm en el extremo libre
de la barra.
la = Longitud de adherencia.
Es de hacer notar, que un deslizamiento de 0.1
mm garantiza que no se produzca agrietamiento externo
del cilindro, además se presentan resultados muy
próximos a los que se obtendrían de realizar ensayos de
flexión o "Beam-Test", así lo señala Ramos (1967),
siendo por ende, un esfuerzo que garantiza una buena
longitud de anclaje.
Dado que para una longitud de anclaie
todas las cabillas sobrepasaron
el límite elástico para un
deslizamiento 0.1 mm., el valor del esfuerzo del acero a
considerar es el esfuerzo de cedencia.
Con el fin de homogeneizar los resultados para
un mismo concreto, los esfuerzos de adherencia U(0.1)
fueron corregidos por un factor el cual viene dado por la
relación
Donde:
Valor medio de la resistente a compresión del
concreto utilizado.
Resistencia a compresión del concreto
correspondiente a los vaciados de cada diámetro
y cada longitud de anclaje. Dando como
resultado los valores de esfuerzos de adherencia
corregidos:
Para cada diámetro y longitud de adherencia
estudiado, se calculó el promedio de los tres ensayos
que se denominó (U'(0.1)). Un cálculo similar se realizó
para los esfuerzos de adherencia máximos (Umax}.
También se calcularon los coeficientes de variación
correspondiente a cada grupo de los tres ensayos
manteniendo constantes los diámetros y las longitudes
de adherencia.
Finalmente, en los gráficos III-6 y III-7 se
presentan los diagramas de esfuerzos de adherencia
versus longitud de adherencia entre el diámetro (ladh/
)para los cinco diámetros de cabillas estudiados.
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LOS
ENSAYOS
Del análisis de los gráficos Ill-6 y III-7, los
resultados de los ensayos indicaron lo siguiente:
• A medida que se aumenta la longitud de anclaje
experimental, disminuye la dispersión de
resultados entre los diferentes diámetros de
cabillas.
• Para todos los diámetros de cabillas estudiados,
se verifica que un aumento de la relación (ladh/
conlleva a una disminución en los esfuerzos
de adherencia (U'(0.1 )), al igual que los
(Umáx).
• Para una misma longitud de adherencia, el
aumento del diámetro no garantiza una
disminución de los esfuerzos de los esfuerzos
adherencia. Pudo observarse que para el
grupo de cabillas cuyo diámetro es menor o
igual a igual a 1.59 cm (5/8", 1/2", 3/8"), sus
esfuerzos de adherencia son mayores que
para las cabillas cuyos diámetros sobrepasan
esta medida (3/4" y 1").
• En todos los diámetros de cabillas estudiados se
observa que aumenta la relación ,existe
una evidente tendencia hacia un valor
convergente de esfuerzos de adherencia
(U(0.1)).
experimental de
de
Esto ratifica el hecho de escoger
como longitud de anclaje ya que el ensayo de
hubiera arrojado valores similares. Debido
,
valor de
a un factor de seguridad tomado en este Trabajo,
decidimos elegir como longitud de desarrollo el
ya que los valores resultantes de
esta, son muy parecidos a los arrojados por la

71-

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5 9

60

Estudios sobre los esfuerzos de adherencia desarrollados entre el acero y el concreto con cabinas..
61

DETERMINACIÓN DE LAS LONGITUDES
PRACTICAS DE DESARROLLO
Dado la importancia de la longitud de desarrollo,
se han llevado a cabo múltiples investigaciones sobre
este tópico.
La determinación de las longitudes prácticas de
desarrollo que se presenta, se fundamenta en el traba-
jo desarrollado por Baus (1965), donde las variables
empleadas fueron: resistencia del concreto, diámetro
de la cabilla y aceros de diferentes calidades.
Partiendo del equilibrio existente entre los
esfuerzos desarrollados por el acero y los esfuerzos de
adherencia entre este y el concreto (fig. 4.1), se tiene:

Estudios sobre los esfuerzos de adherencia desarrollados entre el acero y el concreto con cabillas...
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Ur= valor del cálculo de la tensión
limite de adherencia.
Ur = tensión Iímite de adherencia correspondiente
a la longitud práctica de anclaje experimental,
la cual depende de la resistencia del concreto.
Baus comprobó que la variación de los esfuer-
zos de adherencia en función de la resistencia del
concreto, se ajusta con suficiente aproximación ala
ecuación de una recta, independientemente de la
calidad del acero. (fig. 4.2).
Donde: a = 0.2
Donde:
=límite elástico característico del acero.
Sustituyendo:
Resultando esta ecuación ser la n° (1)
donde:

Despejando:
Por lo tanto:
Finalmente:
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6 4
Además la adherencia está influenciada por la
longitud de anclaje experimental, por lo cual se intro-
duce una constante que viene dada por:
Despejando U(r,250) resulta:
Con la finalidad de simplificar las ecuaciones,
se expresa:
Donde:
Sustituyendo en (1)
La expresión
siguiente manera:
puede ponerse de la
A continuación se particularizan las expresiones
obtenidas por Baus para las características del acero
estudiado en el presente trabajo. Para un deslizamien-
to de 0.1 mm y una resistencia en el concreto de 250
kg/cm
2
, se tiene:
Donde:
U'(0.1) = esfuerzo de adherencia para un desli-
zamiento de 0.1 mm.
U'(0.1;250) = esfuerzo de adherencia para un des-
lizamiento de 0.1 mm cuando se utiliza un
concreto con una resistencia de 250 kg!
cm
2
.
(Probeta cilíndrica).
La ecuación (3) ajusta los esfuerzos de adhe-
rencia para cualquier resistencia del concreto, dado
que esta en los ensayos realizados superó los 250
kg/cm², se despeja U'(0.1;250) para así homogeneizar
los esfuerzos de adherencia en una misma resistencia:
Dado que a mayor longitud de anclaje experi-
mental, menor es la dispersión en los valores de es-
fuerzos de adherencia, los cálculos que se presentan
a continuación corresponde a una longitud de anclaje
de 150.
Seguidamente se muestran las longitudes prác-
ticas de desarrollo obtenidas a partir de la expresión
anterior, evaluándose los resultados experimentales.
Expresando los resultados en función del esfuer-
zo de adherencia más desfavorable con un límite elás-
tico en el acero de 4405 kg/cm
2
que es el esfuerzo de
cedencia promedio de las cabillas ensayadas y una
resistencia a compresión de
250 kg/cm
2
, se llegó a una
longitud práctica de anclaje de metros experimentados.
En la tabla 4.1 se muestran las longitudes de
anclaje a las que se llegó en el presente trabajo, las
obtenidas por Baus, las especificadas por la normas
COVENIN-MINDUR 1753 y las recomendadas por las
ACI-1999.
De los valores mostrados en la tabla 4.1 se des-
prende que las longitudes prácticas de anclaje obteni-
das en este trabajo son menores que las dadas por las
normas COVENIN 1753 y por las ACI-1999, es de no-
tar que en el ensayo aplicado (Pull-Out), se desarrollan
esfuerzos de adherencia mayores, lo que conlleva a
una disminución en la longitud práctica de desarrollo.
resistencia del concreto experimental.
para todos los diá-

Estudios sobre los esfuerzos de adherencia desarrollados entre el acero y el concreto con cabillas.
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El cálculo de la longitud de anclaje en obra según
las normas COVENIN-MINDUR 1753, capitulo 12,
especifica que esta viene dada por:
se deduce del equilibrio
que existe entre la carga aplicada a la cabilla y los
esfuerzos de adherencia generados a lo largo de la misma
(Fig. 4.3).
Evaluando en la ecuación anterior para una Ion-
a 0.06 y para cada una de las cabillas ensayadas en e
presente trabajo resultan:
Por otro lado como ya se mencionó, las normas
especifican que la longitud de adherencia igual a
Debe ser mayor o igual a
Es de resaltar, que cuando se calculan las lon-
gitudes de adherencia según las normas COVENIN, la
expresión que domina este cálculo es 0.006 * db
0.003 contra 0.006 de las normas y en la cabilla de
se obtuvo 0.03 contra 0.06 igualmente de las
normas. Por lo que se concluye que las normas aplican
un factor de seguridad igual a 2.
Las fórmulas de longitud de desarrollo especifi-
cadas en las ACI-1999 para cabillas entre sí no menos
de 2db, con recubrimiento libre no menor a db y con
estribos que atraviesan la zona de desarrollo, son:
Cabillas entre 3/8" y 314":
Cabillas de 1":
donde:
Limite elástico promedio del acero.
Factor de ubicación de la armadura. Si la
cabilla es de lecho superior vale 1.3, en caso
contrario vale 1.
Factor de recubrimiento epóxico de la
cabilla. Si no tiene recubrimiento epóxico el
valor es 1. Si tiene recubrimiento epóxico y el
recubrimiento libre de la armadura es menor
o igual a 3db y la distancia entre cabillas es
menor a 6db, el valor es 1.5, sino se cumple
estos dos últimos parametros es 1.2. El pro-
nunca será mayor de 1.7.
donde: de
alli que
luego
entonces
donde
gitud de anclaje experimental de se obtiene un
valorde coeficiente tal que para las normas es igual
como la
fy para los diámetros de
por otro lado para
Como se puede observar de
a expresión que domina es
r
esultaron la mitad de su homóloga en la
ecuación dada por las normas COVENIN. es decir.
haste
para las cabillas desde resultó
ducto de
expresión esta que resulta de evaluar
Constante que para las norma COVENIN
representa 0.006; sin embargo evaluando los esfuerzos
de adherencia experimentales, llegó a los siguientes
lt d
las tablas anteriores, el valor de las constantes

Si el agregado es liviano se usa 1.3, si el
agregado es normal vale 1
f"c = Resistencia promedio del concreto.(kg/cm
²
)
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En primer lugar se comprobó durante la ejecu-
ción de los ensayo que para una longitud de anclaje
todas las cabillas alcanzaron su
Esto nos lleva a concluir que las normas
COVENIN-MINDUR 1753-87 y las ACI 1999 estable-
cen longitudes de adherencia superiores a las obteni-
das experimentalmente en este trabajo especial, re-
presentando esto una pérdida de acero.
Queda corroborado lo dicho por Baus (1965) en
su trabajo sobre adherencia que para probetas con una
longitud de anclaje de
las cabillas,
alcanzando estas la rotura, lo que obliga a fijar como
esfuerzo máximo en el acero al esfuerzo de cedencia.
Por otro lado para una longitud de anclaie expe-
de los resultados, además esta longitud de adherencia
es tan pequeña que no permite el desarrollo de la ad-
herencia acero-concreto, por lo que se recomienda no
se use esta para ensayos a futuro.
A medida que aumenta la longitud de adheren-
cia experimental disminuye la dispersión entre los es-
fuerzos de adherencia, mostrando una tendencia ha-
cia un valor convergente en dichos esfuerzos, permi-
tiendo a su vez calcular una longitud de anclaje gene-
ral para las cabillas ensayadas con el esfuerzo dado y
la longitud de adherencia al cual se alcanzó el mismo.
Comparando los esfuerzos de adherencia obtenidos
en este trabajo especial con el de Baus, se observa
que estos son mayores en el primero, lo que india que
la efectividad de la adherencia disminuye cuanto el
esfuerzo cedente en el acero aumenta,
demostrándose además que la longitud de adherencia
no está influenciada por el esfuerzo de cedencia en el
acero ya que en ambos trabajos resultó la misma.
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Estudios sobre los esfuerzos de adherencia desarrollados entre el acero y el concreto con cateas...
6 7
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FOTOS REFERENCIALES
Formaletas para vaciar la mezcla de Concreto

Tekhne 5 - Revista de ingeniería
6 8
Cabillas de acero recubiertas con manguera plástica. para evitar adherencia
Serie de Cilindros vaciados. Tienen en su interior las cabillas y el refuerzo transversal

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Refuerzo helicoidal transversal.

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