Influencia de la corrosión en la adherencia de alambres en elementos pretensados de hormigón

Resumen

En elementos pretensados de hormigón, la adherencia entre el acero y el hormigón es una propiedad esencial para garantizar la integridad de la estructura. El acero de pretensar, ya sea en forma de alambres o cordones, tiene una doble función: permitir, por un lado, que parte de la tensión de tracción disponible hasta alcanzar valores próximos a su límite elástico se use para comprimir el hormigón, mejorando su comportamiento en servicio y, por otro lado, que su resistencia a tracción sea utilizada para colaborar con el hormigón en la resistencia de las cargas aplicadas externamente. Para garantizar esta doble función es crucial la existencia de tensiones de adherencia entre los alambres de acero y el hormigón, asegurando la transmisión de las fuerzas de pretensado tras el destesado y el anclaje del alambre durante la vida útil del elemento. Esta adherencia puede verse deteriorada por diferentes motivos, siendo uno de los más recurrentes el daño inducido por procesos de corrosión. Los productos de corrosión, cuyo volumen específico es mayor que el del acero original, generan tensiones en el hormigón que circunda el alambre y propician la aparición de fisuras y desprendimientos en el recubrimiento, reduciendo su capacidad de confinamiento y, consecuentemente, mermando las propiedades adherentes entre el hormigón y el acero. El parámetro fundamental para caracterizar las propiedades adherentes existentes entre el acero pretensado y el hormigón es la longitud de transmisión o transferencia. La fuerza en un alambre o cordón de pretensado se transfiere por adherencia al hormigón durante la operación de destesado, de manera que las tensiones longitudinales en el acero varían desde cero, en el extremo de la viga, hasta su máximo valor más allá de la longitud de transferencia. Por tanto, la longitud de transferencia se define como aquella necesaria para que la totalidad de la fuerza de pretensado introducida en una armadura pretesa se transfiera por adherencia al hormigón. Esta longitud abarca la distancia existente desde el extremo libre de un elemento pretensado hasta la sección a partir de la cual la tensión en el alambre o cordón es constante, de modo que más allá de dicha sección la fuerza de pretensado mantiene su valor hasta la zona de transferencia del extremo opuesto, en que se produce el fenómeno en sentido inverso. El cálculo y diseño de elementos pretensados de hormigón con armaduras pretesas requiere una evaluación realista de la longitud de transferencia. Por un lado, valores reducidos de la misma mejoran la capacidad resistente frente a esfuerzo cortante, debido al efecto favorable de las tensiones de compresión introducidas en la sección de hormigón, especialmente en los extremos del elemento, donde el cortante suele ser de mayor entidad. Por otro lado, la reducción de la longitud de transferencia lleva asociado un aumento de las tensiones transversales de tracción en los extremos del elemento, aumentando el riesgo de fisuración por estallido, por exfoliación o por hendimiento. Las expresiones para la caracterización de la longitud de transferencia recogidas en los códigos estructurales cuyo uso está más extendido [Eurocódigo 2; ACI 318-02; EHE-08; Model Code 2010] suelen considerar únicamente el efecto de algunas variables, como el diámetro del alambre o la fuerza de pretensado inicial, omitiendo otros parámetros, como la resistencia del hormigón o el espesor de recubrimiento, cuya influencia ha sido demostrada en numerosos trabajos. Además, en ningún caso, se cuantifica en qué medida afecta el ataque por corrosión a dicha longitud. Por tanto, es patente la necesidad de desarrollar un método racional que permita evaluar la adherencia, y consecuentemente la longitud de transferencia, en elementos pretensados de hormigón con distintas configuraciones geométricas y mecánicas, así como con distintos grados de corrosión. En esta tesis se han investigado los procesos de degradación de la adherencia motivados por la corrosión en alambres lisos e indentados y se ha analizado su influencia en el comportamiento de elementos pretensados de hormigón. Para ello, se ha desarrollado un modelo analítico cuyas variables han sido calibradas mediante ensayos de arrancamiento sobre alambres no tesados y cuyos resultados teóricos han sido verificados gracias a su comparación con los datos extraídos de una campaña experimental sobre elementos pretensados tipo viga. La metodología seguida, que puede calificarse como teórico-experimental y consistente en varias etapas diferenciadas, se ha mostrado como un procedimiento eficaz para identificar, analizar y cuantificar las principales variables mecánicas y geométricas que intervienen en el fenómeno de la corrosión en elementos pretensados. Las etapas de las que ha constado esta investigación son las siguientes: - Desarrollo de un modelo analítico bidimensional para la determinación de las tensiones radiales a nivel de sección derivadas de los procesos de corrosión en estructuras de hormigón armado. - Realización de campaña de ensayos de arrancamiento para la calibración de los parámetros que definen la expansión de los productos de corrosión y las propiedades adherentes entre el hormigón y el acero. - Extensión del modelo a la dirección longitudinal del elemento (tres dimensiones) para la determinación de las leyes que rigen la relación entre adherencia y deslizamiento, en alambres sanos y corroídos, mediante su comparación con la campaña experimental anterior. - Elaboración de un modelo analítico integral para la determinación de la longitud de transferencia en estructuras pretensadas sanas y corroídas, acoplando los efectos del pretensado al modelo analítico tridimensional sobre elementos de hormigón armado con corrosión. Algunas de las aportaciones novedosas de este modelo se encuentran en el tratamiento de la capa porosa alrededor de los alambres de pretensado y el volumen de fisuras ocupado por productos de corrosión, determinantes en la capacidad de confinamiento del recubrimiento de hormigón, así como en la incorporación del pretensado a lo largo de la dirección longitudinal del elemento - Verificación del modelo integral mediante su comparación con ensayos sobre elementos pretensados tipo viga con procesos de degradación por corrosión. El modelo validado ha permitido estudiar la influencia que tienen en el comportamiento adherente las principales variables geométricas y mecánicas que intervienen en el pretensado, lo que a su vez ha posibilitado el desarrollo de expresiones simplificadas para el cálculo de longitudes de transferencia en elementos pretensados de hormigón, tanto con alambres sanos como corroídos. Los resultados arrojados por la expresión propuesta para alambres sanos han sido comparados con los obtenidos en campañas experimentales de otros autores, mostrando una mejor capacidad predictiva que las expresiones recogidas en los códigos estructurales cuyo uso está más extendido. ----------ABSTRACT---------- Bond between steel and concrete is an essential property to guarantee the integrity of the structure in prestressed concrete members. Prestressing steel, as either wires or strands, has a double function: on the one hand, allowing that a fraction of the available tensile strength close to its tensile yield strength is used to compress the concrete, improving its service behaviour and, on the other hand, that its tensile strength may be used bearing externally applied loads, along with concrete. To ensure this double function, bond stresses between steel wires and concrete are essential, ensuring the transfer of the prestress force during the prestressing release operation and the anchorage of the wire along the service life of the member. This bond may be degraded due to different reasons, being one of the most frequent ones the corrosion-induced damage. Corrosion products, whose specific volume is greater than that of the virgin steel, produce stresses in the concrete surrounding the wire, and induce cracking and spalling of concrete cover, reducing its confinement capacity and therefore affecting the bond properties between steel and concrete. Transfer length (or transmission length) is the key indicator to describe the bond properties between prestressed steel and concrete. Prestressing force is transferred by bond during the releasing procedure, so that the longitudinal stresses in steel vary from zero at the free end of the wire to the fully effective value beyond the transfer length. Therefore, such transmission length is defined as the one required to transfer the fully prestressing force by bond from the steel to the concrete. This length includes the distance between the free end of the prestressed concrete member up to the cross section from which the wire stress is constant, so that beyond it the prestress force sustains its value up to the transfer length in the other member end, where the phenomenon takes place too in the opposite direction. The calculation and design of prestressed concrete members with prestressed wires requires a realistic assessment of the transfer length. Small values of transfer length improve the shear-bearing capacity, due to the favourable effect of compressive stresses in concrete section, especially in the member ends, where the shear tends to be higher. However, the downsizing of the transfer length entails an increase of transverse shear stresses in the member ends, increasing the risk of cracking due to bursting, exfoliation or splitting. Transfer length expressions from the most widespread structural codes [Eurocode 2; ACI 318-02; EHE-08; Model Code 2010] often only consider the effects of some variables, such as the wire diameter or the initial prestressing force, neglecting some other parameters, such as the concrete strength or the cover thickness, whose influence on transfer length has been proved through many research works. Moreover, under no case has it been measured how a corrosion attack affects this length. Therefore, it is critical the need to develop a rational method that allows to assess the bond stress and, consequently, the transfer length in prestressed concrete elements with different mechanical and geometric configurations, as well as different degrees of corrosion. In this thesis, the processes of bond degradation due to the corrosion of both indented and smooth wires have been studied, and its influence in the behaviour of prestressed concrete members has been analysed. To that end, it has been developed an analytical model whose variables have been calibrated through pull-out test on non-stressed wires, and whose theoretical results have been verified thanks to its comparison with the data extracted from an experimental campaign on pre-stressed beams. The methodology followed, which may be described as both theoretical and experimental, and consisting in several distinct stages, has been shown as an efficient procedure to identify, analyse, and measure the main geometric and mechanical variables involved in the phenomenon of the corrosion of prestressed elements. The stages in which this research has consisted are the following: - Development of a bi-dimensional analytical model for the determination of the tensile radial stresses derived from corrosion at the cross-section level in reinforced concrete structures. - Conduction of a pull-out test campaign to calibrate the parameters defining the expansion of corrosion products and the bond properties between concrete and steel. - Extension of the analytical model to the longitudinal direction of the element (three dimensions) to determine the laws governing the relation between bond and slip, in both non-corroded and corroded wires, through its comparison with the previous experimental campaign. - Development of an integral analytical model to determine the transfer length in noncorroded and corroded prestressed structures, coupling the effects of prestress to the threedimensional analytical model regarding corroded reinforced concrete elements. Some novel features of this model are the treatment of the porous layer around the prestressing wires and the volume of cracks occupied by corrosion products to determine the confinement capacity of the concrete cover as well as the incorporation of prestressing along the longitudinal direction. - Verification of the integral analytical model by comparing it with test on prestressed beams with corrosion degradation mechanisms. The proven model has allowed the study of the influence on the bond behaviour of the main geometrical and mechanical variables intervening in prestressing, which in turn has allowed the development of simplified expressions for the assessment of transfer lengths in prestressed concrete members with both non-corroded and corroded wires. The results obtained by the expression proposed for non-corroded wires have been compared with the ones obtained in the experimental campaigns from other authors, showing an improved predictive capability than those included in the main design concrete standards.