Perno de anclaje

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Los pernos de anclaje se utilizan para conectar elementos estructurales y no estructurales al hormigón. La conexión puede realizarse mediante una variedad de componentes diferentes: pernos de anclaje (también llamados fijaciones), placas de acero o refuerzos. Los pernos de anclaje transfieren diferentes tipos de carga: fuerzas de tensión y fuerzas de corte.

Una conexión entre elementos estructurales puede representarse mediante columnas de acero unidas a una cimentación de hormigón armado. Un caso común de un elemento no estructural unido a uno estructural es la conexión entre un sistema de fachada y un muro de hormigón armado.

Tipos

Cast-in-place

La forma más simple –y más fuerte– de perno de anclaje es el de fundición in situ, con su extremo embutido que consiste en un perno de cabeza hexagonal estándar y una arandela, un codo de 90 grados o algún tipo de brida forjada o soldada (ver también soldadura de pernos). Estos últimos se utilizan en estructuras compuestas de hormigón y acero como conectores de corte. Otros usos incluyen máquinas de anclaje a pisos de hormigón vertido y edificios a sus cimientos de hormigón. Se producen varios dispositivos auxiliares, generalmente desechables, principalmente de plástico, para asegurar y alinear los anclajes de fundición in situ antes de la colocación del hormigón. Además, su posición también debe coordinarse con la disposición de la armadura. Se pueden distinguir diferentes tipos de anclajes de fundición in situ:

Inserciones de elevación: utilizados para operaciones de elevación de las vigas RC planas o pretensadas. La inserción puede ser una varilla roscada. Vea también perno (climbing).
Canales de anclaje: utilizados en conexiones de hormigón prefabricados. El canal puede ser una forma de acero caliente o fría en la que se coloca un tornillo de forma T para transferir la carga al material base.
Cabeza: consiste en una placa de acero con estrías en la cabeza soldadas (ver también varilla roscada).
Mangas empuñadas: consisten en un tubo con un hilo interno que se ancla de nuevo en el hormigón.

Para todos los tipos de anclajes de hormigón, el mecanismo de transferencia de carga es el enclavamiento mecánico, es decir, la parte incrustada de los anclajes en el hormigón transfiere la carga aplicada (axial o cortante) a través de la presión de apoyo en la zona de contacto. En condiciones de falla, el nivel de presión de apoyo puede ser superior a 10 veces la resistencia a la compresión del hormigón, si se transfiere una fuerza de tensión pura. Los anclajes de hormigón también se utilizan en aplicaciones de mampostería, colocados en juntas de mortero húmedo durante la colocación de ladrillos y bloques de hormigón.

Post-installed

Los anclajes postinstalados se pueden instalar en cualquier posición del hormigón endurecido después de una operación de perforación. Se hace una distinción según su principio de funcionamiento.

Anclajes de expansión mecánica

El mecanismo de transmisión de fuerza se basa en el enclavamiento mecánico por fricción garantizado por las fuerzas de expansión. Se pueden dividir en dos categorías:

control de par: el anclaje se inserta en el agujero y se asegura aplicando un par especificado a la cabeza del perno o la nuez con una llave de par. Una subcategoría particular de este ancla se llama tipo de cuña. Como se muestra en la figura, apretar el perno resulta en una cuña que está siendo empujada hacia arriba contra una manga, que la expande y hace que se comprime contra el material que se está abrochando.
El desplazamiento controlado: consiste generalmente en una manga de expansión y un tapón de expansión cónica, por lo que la manga está internamente roscada para aceptar un elemento roscado.

Anclajes bajo llave

El mecanismo de transmisión de fuerza se basa en un enclavamiento mecánico. Una operación especial de perforación permite crear una superficie de contacto entre la cabeza del anclaje y la pared del orificio donde se intercambian las tensiones de apoyo.

Anclajes bonados

Los anclajes adheridos también se denominan anclajes adhesivos o anclajes químicos. El material de anclaje es un adhesivo (también llamado mortero) que generalmente consiste en resinas de epoxi, poliéster o viniléster.

En los anclajes adheridos, el mecanismo de transferencia de fuerza se basa en las tensiones de adherencia proporcionadas por los materiales orgánicos que los unen. Se pueden utilizar tanto barras nervadas como varillas roscadas y se puede apreciar experimentalmente un cambio en el mecanismo de adherencia local. En las barras nervadas, la resistencia se debe predominantemente al comportamiento de corte del hormigón entre las nervaduras, mientras que en las varillas roscadas prevalece la fricción (véase también anclaje en hormigón armado).

El rendimiento de este tipo de anclaje en términos de "capacidad de carga", especialmente bajo cargas de tensión, está estrictamente relacionado con la condición de limpieza del orificio. Los resultados experimentales mostraron que la reducción de la capacidad es de hasta un 60%. Lo mismo se aplica también a la condición de humedad del hormigón, para el hormigón húmedo la reducción es del 20% utilizando resina de poliéster. Otros problemas están representados por el comportamiento a alta temperatura y la respuesta a la fluencia.

Anclajes de tornillo

El mecanismo de transmisión de fuerza del anclaje de tornillo se basa en el intercambio de presión concentrada entre el tornillo y el hormigón a través de los pasos.

Anclajes de plástico

Su mecanismo de transferencia de fuerza es similar al de los anclajes de expansión mecánicos. Se aplica un momento de torsión a un tornillo que se inserta en un manguito de plástico. A medida que se aplica el momento de torsión, el plástico expande el manguito contra los lados del orificio, lo que actúa como una fuerza de expansión.

Tornillos Tapcon

Los tornillos Tapcon son un tipo de anclaje popular que significa tornillo autorroscante para hormigón. Los tornillos de mayor diámetro se conocen como LDT. Este tipo de fijación requiere un orificio previamente perforado (usando una broca Tapcon) y luego se atornilla en el orificio usando una broca hexagonal o Phillips estándar. Estos tornillos suelen ser azules, blancos o de acero inoxidable. También están disponibles en versiones para aplicaciones marinas o de alto estrés.

Anclajes accionados por polvo

Actúan transmitiendo las fuerzas mediante un enclavamiento mecánico. Esta tecnología de fijación se utiliza en uniones de acero con acero, por ejemplo para unir perfiles conformados en frío. Se introduce un tornillo en el material base mediante una pistola de gas accionada por gas. La energía de accionamiento se genera normalmente mediante el disparo de un propulsor inflamable en forma de polvo. La inserción del elemento de fijación provoca la deformación plástica del material base que se adapta a la cabeza del elemento de fijación, donde se produce la transmisión de la fuerza.

Comportamiento mecánico

Modos de fracaso en tensión

Los anclajes pueden fallar de diferentes maneras cuando se cargan en tensión:

Fallo de acero: la parte débil de la conexión está representada por la varilla. El fracaso corresponde a la ruptura tensil del acero como en caso de pruebas de tracción. En este caso, el material base de hormigón podría no ser dañado.
Retirado: el ancla se retira del agujero perforado dañando parcialmente el hormigón circundante. Cuando el hormigón está dañado el fallo también se indica como pull-through.
Cono concreto: después de alcanzar la capacidad de carga se forma una forma de cono. El fracaso se rige por el crecimiento de las grietas en concreto. Este tipo de fracaso es típico en la prueba de salida.
Fallo de división: el fracaso se caracteriza por una fractura que divide el material base en dos partes. Este tipo de fallo ocurre cuando las dimensiones del componente de hormigón son limitadas o el ancla se instala cerca de un borde.
Fallo de desaceleración: el fracaso se caracteriza por el espaciamiento lateral de hormigón en la proximidad de la cabeza del anclaje. Este tipo de fallo se produce para anclajes (prevalentemente lanzado en lugar) instalados cerca del borde del elemento de hormigón.

En la verificación del diseño bajo estado límite último, los códigos prescriben que se verifiquen todos los mecanismos de falla posibles.

Fallo de acero
Concrete Cone Failure
Fracaso de salida
Fracaso difícil
Fracaso de fuga
Fracaso de división

Modes of failure in shear

Los anclajes pueden fallar de diferentes maneras cuando se someten a cargas de corte:

Falla de acero: la varilla alcanza la capacidad de rendimiento y la ruptura ocurre después del desarrollo de grandes deformaciones.
Borde concreto: una superficie semi-conical de fractura se desarrolla desde el punto de rodar hasta la superficie libre. Este tipo de fallo ocurre, para un ancla en la proximidad del borde del miembro del hormigón.
Pry-out: una superficie semi-conical de fractura se desarrolla caracterizando el fracaso. El mecanismo de pryout para anclajes de fundición generalmente se produce con muy corta, mediana studs. Los tacos son típicamente tan cortos y rígidos que bajo una carga directa de corte, se doblan causando contemporalmente aplastar en frente de la punta y un cráter de hormigón detrás.

En la verificación del diseño bajo estado límite último, los códigos prescriben que se verifiquen todos los mecanismos de falla posibles.

Fallo de Edge.
Fallo Pry-Out

Tensión combinada/marcha

Cuando se aplican simultáneamente cargas de tracción y de corte a un anclaje, la falla se produce antes (con una capacidad de carga menor) con respecto al caso no acoplado. En los códigos de diseño actuales se supone un dominio de interacción lineal.

Grupo de anclajes

Para aumentar la capacidad de carga, los anclajes se montan en grupo, lo que permite además disponer una conexión resistente al momento de flexión. En el caso de cargas de tracción y de corte, el comportamiento mecánico se ve influenciado notablemente por (i) la distancia entre los anclajes y (ii) la posible diferencia en las fuerzas aplicadas.

Comportamiento de carga de servicio

El desplazamiento del anclaje bajo cargas de servicio (tensión y corte) debe ser limitado. El rendimiento del anclaje (capacidad de carga y desplazamientos característicos) bajo diferentes condiciones de carga se evalúa experimentalmente y luego el organismo de evaluación técnica elabora un documento oficial. En la fase de diseño, el desplazamiento que se produce bajo las acciones características no debe ser mayor que el desplazamiento admisible informado en el documento técnico.

Comportamiento de carga sismica

Bajo cargas sísmicas, existiría la posibilidad de que un anclaje se encuentre simultáneamente (i) instalado en una grieta y (ii) sometido a cargas de inercia proporcionales tanto a la masa como a la aceleración del elemento unido (estructura secundaria) al material base (estructura primaria). Las condiciones de carga en este caso se pueden resumir de la siguiente manera:

Carga axial pulsante: fuerza alineada con el eje del anclaje, positiva en caso de estado de eliminación y cero en caso de empuje.
Carga trasera inversa (también llamada “alternate shear”): fuerza perpendicular al eje del ancla, positiva y negativa dependiendo de una convención de firma arbitraria.
Crack Cyclic (también llamado “movimiento de la ruina”): La estructura primaria RC se somete a graves daños (es decir, cracking) y el caso más desfavorable para el rendimiento del ancla es cuando el avión de crack contiene el eje del ancla y el ancla está cargado por una fuerza axial positiva (continuada durante ciclos de grieta).

Comportamiento de cargas excepcionales

Las cargas excepcionales se diferencian de las cargas estáticas ordinarias por su tiempo de subida. En las cargas de impacto se producen altas tasas de desplazamiento. En el caso de las uniones de acero con hormigón, algunos ejemplos son la colisión de vehículos contra barreras conectadas a la base de hormigón y las explosiones. Aparte de estas cargas extraordinarias, las uniones estructurales están sujetas a acciones sísmicas, que deben tratarse rigurosamente mediante un enfoque dinámico. Por ejemplo, la acción de extracción sísmica sobre un anclaje puede tener un tiempo de subida de 0,03 segundos. Por el contrario, en una prueba cuasiestática, se pueden suponer 100 segundos como intervalo de tiempo para alcanzar la carga máxima. En cuanto al modo de fallo de la base de hormigón: las cargas de fallo del cono de hormigón aumentan con tasas de carga elevadas con respecto a la estática.

Diseños

Tipo de cuña - 1
Tipo de expansión
Tipo de manga
Tipo de cuña - 2
Anclado
Tornillo de hormigón

Véase también

Bien loco.

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