Conferencia Incorporacion Zerbino
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La incorporación de fibras y el
desarrollo de un hormigón de
altas prestaciones
Dr. Ing. Raúl ZerbinoDr. Ing. Raúl Zerbino
Facultad de Ingeniería - UNLP
Los materiales en la ingeniería
• Madera y roca
• Los metales
• El hormigón, hormigón armado y pretensado
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• Puentes
• Edificios
• Premoldeados
• Estructuras offshore
• Cáscaras
• Túneles
• Diques
• Canales
• Pistas y pavimentos
• Centrales nucleares
• Estadios
Great Belt Link, 1998
Millau Viaduct, 2004Torres Petronas, Malasia
Presa de Itaipú
Central nuc lear Atucha
Fisuras en hormigón y otros materiales
a base de cemento portland
• El hormigón es un material frágil (cuasifrágil)
• Fisuras y mecanismo de rotura
• Fisuras y durabilidad
• Procesos de fisuración
Acción de las cargas
Hidratación y cambios de volumenSecado (contracción)
Altas temperaturas
Reacciones deletéreas
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Desarrollo de tecnología y diseño estructural
10
100
1000
10000
100000
1 10 100 1000 10000 100000 1E+06 1E+07 1E+08
Producción a nual (mi les ton)
C o s t o
( U $ S / t o n )
Titanio
Hormigón
A lu m in ioNylon
PolietilenoLadrillos
Acer o
Madera
Vidrio
Materiales reforzados con fibras
Matrices
Resinas poliéster,epoxi, metálicas,
cerámicas,cemento portland...
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En el compuesto al incorporar fibrasresistentes dentro de una matriz frágil, crece la
capacidad de carga post-fisuraciónTTdeformacióndeformación
Contenido de fibrasContenido de fibras
¿Por qué incorporar fibras?
arrancamientoarrancamiento
Fisuración múltiple,Fisuración múltiple,
fallas defallas de
adherencia yadherencia ydeslizamientosdeslizamientos
arrancamientoarrancamiento
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Efecto de las fibras
Control de fisuración
Incrementos de:
TenacidadResistencia a tracción
Resistencia a compresión
Control de los efectos de la contracción
Refuerzo de morteros y hormigones
Fibras deFibras de
Acero Acero
Vidrio Vidrio
SintéticasSintéticasNaturalesNaturales
CarbonoCarbono
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Fibras de acero volúmenes en hormigón
entre 0,25 y 1 %
entre 20 y 80 kg/m3
Fibras sintéticas
Macrofibras
entre 2 y 8 kg/m3
Microfibras
unos 0,6 kg/m3
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Fibras de vidrio
Macrofibrasentre 5 y 15 kg/m3
Microfibras
entre 0,3 y 0,6 kg/m3
Parámetros de las fibras:• Tipo de material• Longitud, l• Diámetro, d, o aspecto geométrico, l/d• Volumen, Vf
Cuando las fisuras se propaganprincipalmente por lasinterfaces mortero-agregado(hormigón convencional), lafibra será efectiva si su longitudes mayor que el tamañomáximo del agregado (dmax).
l ≥ 2.5 dmax
Cuando existe fisuración a través de los agregados (HAR), ellargo de la fibra no es tan importante como el Vf (que sueleser mayor que en hormigones convencionales).
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Aplicaciones
Hormigones con fibras de aceroGuidance for the Design of Steel-Fibre-Reinfo rced Concrete.
Concrete Society, Tech Report Nº63, March 2007• Losas
Losas sobre el piso: pisos industriales, caminos, aeropuertos y áreaspavimentadas exteriores, overlays, railways
Losas elevadas: Sobre pilas (losas de 3x3 a 4x4 aprox) o sobrecolumnas eliminando todas las armaduras
In situ, combinado con hormigón armado convencional: reducción del50 % de armaduras en estructuras para contención de aguas;reemplazo de armaduras en muros; reemplazo en fundaciones decasas, muros de seguridad ante impactos
Losas compuestas con perfiles de acero
• Elementos premoldeadosSegmentos para túneles (transporte y manipuleo)
Tanques de almacenamiento, tuberías (formas, fatiga, durabilidad)
Vigas y paneles
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Hormigones con fibras de acero
Guidance for the Design of Steel-Fibre-Reinfo rced Concrete.Concrete Society, Tech Report Nº63, March 2007
• Hormigón proyectadoMinería, túneles, proyectos hidráulicos: eliminación de mallas,adaptación a movimientos de tierra súbitos, mejoras en la adherenciasustrato – hormigón
Revestimiento de túneles (alto rendimiento, automatización),
Estabilizado de taludes.
Reparaciones: puentes, edificios, túneles, estructuras en el mar,torres de enfriamiento
• Estructuras expuestas a impactos y explosiones
• Durabilidad (para w < 0.5 mm no se detecta corrosión).
Ventajas que pueden motivar la elección delHRF frente al hormigón armado convencional
Costos de suministro y ahorro de tiempos de obra para
la ubicación de las barras convencionales soldadas
Beneficios de salud y seguridad en los operarios
durante el manipuleo del refuerzo
Solución de problemas derivados de defectos en la
ubicación del refuerzo
Aumentos de ductilidad o tenacidad estructural
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Hormigones con macrofibras sintéticas
Guidance on the use of Macro-synthetic-fibre-reinforced Concrete.Concrete Society, Tech Report Nº65, Apr il 2007.
Si es admisible cierta apertura de fisuras pueden ser más eficientes quelas de acero; si hay fuego su uso es cuestionable pues se degradan.
Losas sobre el piso: Pavimentos y playas de estacionamiento(mejoras en zonas expuestas a sales descongelantes), caminos, pisos,refuerzo de losas para trenes (efectos magnéticos)
Hormigón proyectado: Túneles y minería; pueden reemplazar a lasde acero y ser convenientes en ambientes agresivos (corrosión) y por elmenor desgaste en los equipos; la pérdida de performance por fuegopuede inhabilitarlas.
Construcción in situ: revestimiento de túneles; en aplicacionesmarinas en reemplazo de las de acero, muros, estructuras paracontención de aguas.
Elementos premoldeados: baldosones para veredas, tanques ytuberías (formas, fatiga, durabilidad), paneles para viviendas.
Macrofibras de vidrio:Soluciones estructurales para viviendas
• Losas sobre el piso
• Pisos ahuecados
• Cubiertas
autonivelantes
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Luego de 8 meses no seobservaron fisuras ni fibras
visibles en la superficie
Estado previo, deterioro por RAS
Remoción de la capasuperficial (10 cm)
Aspec to del hor migón fresco Apl icac ión d el HRF p orpavimentadoras con TAR
Macrofibras de vidrio:
Reparación de una autovía
en Alemania
Comportamiento mecánico
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Carga – desplazamiento en flexión
sin fibrassin fibras
cargacarga
desplazamientodesplazamiento
Tenacidad porefecto de la
presencia de lasfibras
Mayor l/d.V
ACI comité 544.2R –1988 (1.9 mm)
ASTM C-1018 –1992
JCI-SF4 – 1984: l/150, TJCI l/(dlimit . bd2)
Alemania - DBV 1991, 1992
Bélgica IBN, 1992
España AENOR UNE 83-509-88 y 83-510-89
AFNOR P 18-409 – 1993
EFNARC. ASTM C 1550 (ensayos de paneles)
RILEM TC 162-TDF – 2002
ASTM C-1609/07
EN14651/05
Evaluación de la resistenciay capacidad residual
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Flexión con carga a los tercios
entalladura
hsp
aL
Flexión sobre vigas
entalladas
EN 14651
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Flexión con carga al centro
Carga - flecha
Carga - CMOD
0
5
10
15
20
0 1 2 3 4
Deflection (mm)
L o a d ( k N ) C35/40
C 35/20
C35/00
0
5
10
15
20
0 1 2 3
CMOD (mm)
L o a d ( k N )
C35/40
C35/20
C35/00
Hormigones
con fibras de
acero
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Giaccio G., Tobes, J. M., and Zerbino R. “Use of small beams to obtain
design parameters of fibre reinforced concrete” Cement Concrete
Comp, 2008, V 30 N 4, pp. 297-306.
EN 14651
HRF con macrofibras sintéticasEnsayos sobre vigas de 150 mm de altura
Izqierda: ASTM C-1609; Derecha: EN 14651.
0
1
2
3
4
5
0 1000 2000 3000 4000
TFlecha (micrones)
Fibras/cm2: 0,56
0
1
2
3
4
5
0 1000 2000 3000 4000
T CMOD (micrones)
Fibras/cm2: 0,42
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Ensayo de paneles
Ensayo de paneles
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0
10
20
30
40
50
0 5 10 15 20 25 30
Deformación (mm)
C a r g a ( k N )
Fibras/cm2: 0,51
EFNARC
Otros avances en HRF• Desarrollo de Hormigones de Alta
Resistencia Reforzados con Fibras (HARRF)
• Caracterización mecánica en tracción y corte
• Desarrollo de Hormigones Autocompactantes
Reforzados con Fibras (HACRF)
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Fibras en HAR
Curva tensiónCurva tensión – – deformación axialdeformación axial
0 3000 6000 9000 12000
Deformación axial (microdeformaciones)
0
20
40
60
80
100
T e n s i ó n ( M P a )
HAR con 80 kg/m.cu.de fibras metálicas
HormigónConvencional
HAR
HAR + 80 kg/m3 de
fibras de aceroHAR
Hn convencional
TDeformación axial (micrones)
Extensómetrocircunferencial
Probeta
Platos de carga
LVDT
Strain gauges
80 kg/m3
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Desplazamiento (mm)
C a r g a ( k g )
Flecha
CMOD
40 kg/m3
sin fibras
HAR-RFAf´c = 60 MPa
Giaccio, G. and Zerbino, R., 2002,
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2
0
10
20
30
4050
60
70
80
0 2 4 6 8
Deformación (mm)
C a r g a
( k N
)
HARRFAColaboración con UNT
2008-2010
Isas Pedraza, Torrijos, Giaccio,
Zerbino, Luccioni, Sfer, 2010 - 2º
Congresso Ibérico sobre betão
auto-compactável,
Corte (push-off test)
Barragán, Gettu, Giaccio, Zerbino - 2001
Cooperación UPC (Barcelona) -
LEMIT (La Plata) 2001 - 2004
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Barragán, B., Gettu, R., Agulló, L. and Zerbino, R.
“Shear Failure of Steel Fiber-Reinforced Concrete
Based on Push-Off Tests“. ACI Mat Journal, 2006
Corte (push-off test)
0 0.25 0.5 0.75 1
Vertical displacement (mm)
0
4
8
12
S h e a r s t r e s s , ( M
P a ) C70/40
C70/20
C70/00
0 0.25 0.5 0.75 1
Vertical displacement (mm)
0
4
8
12
S h e a r s t r e s s , ( M
P a ) C70/40
C70/20
C70/00
Barragán, B.E. Gettu, R. Martín, M.A. y Zerbino, R.L. 2003 “Uniaxial
tension test for steel fibre reinforced concrete - A parametric study”
Cement Concrete Comp, V 25, N 7
0
1
2
3
4
0 0.5 1 1.5 2
CMOD (mm)
S t r e s s ( M P a )
C 70/40
C 70/20
C 70/00 T e n s i ó n ( M P a )
Apertura de fisura (mm)
Tracción directa
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Ensayo de testigos
0 500 1000 1500 2000
w
(m)
0
1
2
3
( M
P a )
Horizontal
Reference cylinder
Vertical
Testigo vertical
Testigo horizontal
Dirección
de llenado
Testigo vertical
Testigo horizontal
Dirección
de llenado
Desarrollo de HAC con fibras de acero
Barragán, Giaccio, Soriano y Zerbino
15 R Técnica AATH, 2003
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HACRFA
0
100
200
300
400
500
600
700
0 200 400 600 800 1000 1200
CMOD (m)
C a r g a ( k g )
sin fibras
40 Kg/m3
20 Kg/m3
60 Kg/m3
Slump flow V - funnel L - Box Box - filling capacityHormigón
T-50 (s) Df (cm) (s) (RBL) (RBF)
HAC 6 64,5 9 0,84 0,95
HACRFA-20 4 65,5 4 0,92 0,98
HACRFA-40 5 65,0 5 0,89 0,93
HACRFA-60 7 65,0 11 0,75 -
Barragán, Zerbino, Gettu, Soriano, de la Cruz, Giaccio and Bravo, 2004,
Hormigones autocompactantes
reforzados con fibras Aplicaciones en Francia:
Cimentaciones Capas de compresión en losas
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HACRF: llenado de elementos esbeltosM. C. Torrijos, B. Barragán and R. Zerbino
Construction and Building Materials 22 (2008) 1780–1788
A
B
B A
según norma (C)
en posición horizontal a travésde una tubería (T)
con los moldes ubicados enposición vertical (V)
M. C. Torrijos, B. Barragán and R. Zerbino,Construction and Building Materials 24 (2010) 1078–1085
HACRF: condiciones de llenado
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V
C
T
0 1000 2000 3000 4000
CMOD (microns)
0
10000
20000
30000
L o a d ( N )
Fibras de acero, 50 mm Fibras de acero, 35 mm
V
C
T
0 1000 2000 3000 4000
CMOD (microns)
0
10000
20000
30000
L o a d ( N )
Placing conditions, mesostructural characteristics and post-cracking
response of fibre reinforced self-compacting concretes
Casting direction
α
Placing conditions, mesostructural characteristics and post-cracking
response of fibre reinforced self-compacting concretes
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Las fibras se orientan en planos horizontales no sólo en hormigónvibrado sino también en el HAC tanto con fibras de acero comosintéticas.
El efecto pared influye en la distribución de las fibras de acero,conforme la relación entre las dimensiones del molde y lalongitud de las fibras.
El f lujo durante el transporte y llenado de los moldes influye en ladisposición de las fibras en HAC.
La orientación de las fibras puede adquirir significativaimportancia en la performance de elementos de HACRF. Lacomprensión de las causas de orientación favorece unmayor aprovechamiento del refuerzo, por ejemplo al definir las condiciones de llenado.
Placing conditions, mesostructural characteristics and post-cracking
response of fibre reinforced self-compacting concretes
Zerbino, Bossio, Tobes & Giaccio,
Cement & Concrete Composites, 2012
On the orientation of fibres in structural members fabricated with self
compacting fibre reinforced concrete
Tres clases de prototipos con HACRF (losa, panel y viga
larga) con 35 kg/m3 de fibras de acero de 35 mm.
Panel: con 3 kg/m3 de macrofibras sintéticas de 50 mm.
Viga larga: con 40 kg/m3 de fibras de acero de 50 mm.
HACRF: orientación en elementos delgados
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IA1
IA2
IB2IB1
IC1 IC2IE1
IE2
ID3
ID2
ID1
IF1 IF2
IG1
IIB1
IIA1
IIA2
IIC1 IIC2
IID2
IID1
IIF1 IIF2 IIF3
IIG1
IIIA1
IIIA2
IIID1
IIID2
IIID3
IIIF1 IIIF2 IIIF3
IIIG2IIIG1
IIIE1
IIIE2
IIIC1 IIIC2IIE1
IIE2
IIIA3
Entrance
Group I Group II Group II I
IA3
CMOD (microns)
0 1000 2000 3000
S t r e s s ( M P a )
0
2
4
6
8
10
12
IIA-1
IIA-2
CMOD (microns)
0 1000 2000 3000
S t r e s s
( M P a )
0
2
4
6
8
10
12
IIIA-1
IIIA-2
IIIA-3
CMOD (microns)
0 1000 2000 3000
S t r e s s ( M
P a )
0
2
4
6
8
10
12
IIIF-1
IIIF-2
IIIF-3
CMOD (microns)
0 1000 2000 3000
S t r e
s s ( M P a )
0
2
4
6
8
10
12
ID-1
ID-2
ID-3
CMOD (microns)
0 1000 2000 3000
S t r e s s ( M P a )
0
2
4
6
8
10
12
IIC-1
IIC-2
Losa con HACRF de acero de 35 mm
En un panel
CMOD (microns)
0 1000 2000 3000
S t r e s s ( M P a )
0
2
4
6
8
10
12
B-1
B-2
B-3
B-4
CMOD (microns)
0 1000 2000 3000
S t r e s s ( M P a )
0
2
4
6
8
10
12
C-1
C-2
C-3
CMOD (microns)
0 1000 2000 3000
S t r e s s ( M P a )
0
2
4
6
8
10
12 D-1
D-2
D-3D-4
D-5
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2
10.4
9.6
8.8
8.0
7.2
6.4
5.6
4.8
4.0
3.2
2.4
1.6
0.8
0.0
Losa – Normal al l lenado Losa - Paralelo al l lenado
Tensión residual (MPa) para COD 3,5 mm
10.4
9.6
8.8
8.0
7.2
6.4
5.6
4.8
4.0
3.2
2.4
1.6
0.8
0.0
11.2
12.0Panel dirección horizontal
Losa - Normal al llenado Losa - Paralelo al llenado
Densidad de fibras (fibras/cm2
)
Fibras/cm2 – Panel di rección horizontal
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1.0
0.8
0.6
0.4
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
0.2
0.0
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Orientación de las fibras en HAC
• La velocidad de flujo y el efecto pared producen anisotropíay heterogeneidad en la orientación de las fibras.
• En elementos delgados las propiedades residuales del
HACRF pueden ser bastante diferentes en distintas zonas
y/o direcciones de los elementos estructurales.
• La respuesta post-pico en un mismo elemento puede pasar
de una tipo “endurecimiento” (hardening type) a una con
caída substancial de la capacidad residual.
• Aunque la distribución y orientación de las fibras no son
independientes del tipo de fibra, la geometría de loselementos aparece como el principal factor a considerar.
Luccioni, Ruano, Isla, Zerbino, Giaccio. "A simple approach
to model SFRC" Construction and Building Materials, 2012
Necesidades y desafíos actuales
• Caracterización de nuevas fibras, obtención de
las propiedades residuales y su uso en el diseño
estructural
• Estudio de la respuesta en estado fisurado
• Desarrollo de pruebas a escala real (full-scale)
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Ensayos de adherencia0
50
100
150
0 3 6 9 12
Displacement (mm)
L o a d (
N ) M1
0
50
100
150
0 3 6 9 12
Displacement (mm)
L o a d ( N ) M2
0
100
200
300
0 3 6 9 12
Displacement (mm)
L o a d ( N ) M3
0
100
200
300
0 3 6 9
Displacement (mm)
L o a d ( N
) M4
0
50
100
150
0 3 6 9 12
Displacement (mm)
L o a d ( N
) M5
Bossio, M.E. Torrijos, M.C. Zerbino, R. Giaccio G.
"Pull out behaviour of macro synthetic fibres…",
Bond in concrete 2012, Brescia, Italy.
7/21/2019 Conferencia Incorporacion Zerbino
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3
Ensayos de pull-out
ENSAYO PULLOUT
Aspecto de las fibras
previo y post-arrancamiento
M2 M4
M5
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3
Technical University of Catalonia, Barcelona, Spain
Zerbino, R. and Barragán, B., “Long-term behavior of cracked steel fiber
reinforced concrete beams under sustained loading”, ACI Mat J, 2012
Fluencia enestado fisurado
I - 0.5 mm - 0.81
0 2000 4000 6000
Time (hours)
0
500
1000
1500
2000
2500
C r a c k o p e n i g ( m i c r o n s )
H - 0.5 mm - 0.96
K - 1.0 mm - 0.78
M - 1.0 mm - 0.66
O - 1.5 mm - 0.66
LEMITLEMITMultidisciplinary Training Laboratory for Technological Research
La Plata, Argentina
Monetti, D. H. et al. - 2010
Estudios en La Plata, fibras de acero y sintéticas
0 0.4 0.8 1.2
Ape rtura dife rida (mm)
0
1
2
3
T e n
s i ó n ( M P a )
0 100 200 300
Tiempo (días)
0
1
2
3
T e n
s i ó n ( M P a )
0
0.2
0.4
0.6
0.8
f / f R 4
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3
Aplicaciones en obras viales:
uso de fibras para refuerzo y reparación.
Refuerzo de tableros de puentes
Colaboración con DVBA en RN6
Monetti, Tobes, Héctor, Martín, Giaccio y Zerbino “Uso de fibras
sintéticas en hormigones para obras viales”. Rev. Carreteras, 2009.
White topping en Ruta 24 Uruguay
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3
Ruta 24Uruguay
0
1
2
3
4
5
6
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
Deformación (micrones)
T
e n s i ó n ( M P a )
P91 H
Miguez Passada, González, Violin i, Pappalardi y Zerbino“ Desarrollo e implementación de un hormigón reforzado confibras sintéticas para la repavimentación de la ruta 24 deUruguay” . V Cong. Internac. 19 Reunión Técnica AATH, 2012
Otros estudios en marcha• Empleo de fibras para el control de los efectos
adversos de la reacción álcali sílice
• Propiedades de transporte en HRF en estado
fisurado
• Pruebas a escala real para el desarrollo depavimentos y pisos sin juntas
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A modo de conclusiónEl HRF ofrece ventajas ante muchos problemas que aparecendurante la construcción y vida en servicio de las estructuras.Permite reducir espesores y mantener en servicio elementosfisurados que, en otros casos, habrían acabado su vida útil. Enocasiones, pueden reemplazarse armaduras convencionalesen forma parcial o total. El fib model code 2010 considera eldiseño con HRF.
Las fibras dan lugar a un material de altas prestaciones,incluso pueden obtenerse HACRF que ofrecen particularesventajas para realizar reparaciones y refuerzos. A la vezconfieren ductilidad a piezas de HAR.
En los últimos años se han desarrollado macrofibras sintéticas
y recientemente macrofibras de vidrio. Entre las aplicacionesdel hormigón con estas macrofibras se destaca el refuerzo depisos industriales y pavimentos, donde mejora la durabilidad yposibilita mayor confort al usuario y menor mantenimiento.
MUCHAS GRACIAS
POR SU ATENCIÓN