Más alla de la adherencia

ENSAYO, DISEÑO Y ESPECIFICACION

Una serie de factores influyen en la decisión de un ingeniero a la hora de usar un anclaje pre-instalado o uno post-instalado. Entre ellos se encuentran los mecanismos de trabajo del anclaje, instalación, el impacto en el presupuesto y como afecta a la continuidad del proyecto en terreno. El ingeniero, sobre todo, debe tener como ente primordial el código de ética, la seguridad, salud y bienestar público. Cuando el presupuesto se reduce a nivel de ingeniería, es difícil asignar recursos para examinar datos técnicos y notas a pie de página para realizar así una comparación completa de los sistemas de anclaje post-instalados. Este artículo establece un análisis para la comprensión de los factores químicos y físicos que afectan el desempeño de los sistemas de anclaje adhesivo post-instalados, también explica cómo se incorporan los ensayos de productos en los cálculos de diseño y proporciona también sugerencias para diseñar y especificar sistemas de anclaje adhesivo.

Por qué es importante esto? Seleccionar incorrectamente un sistema adhesivo o realizar una inadecuada limpieza a la preforación del anclaje, puede resultar en reducciones de la capacidad de carga del anclaje o en una falla del anclaje. Las consecuencias pueden llevar a reparaciones costosas, proyectos retrasados, y muy probablemente poner en riesgo la seguridad pública.

El International Code Council Evaluation Service (ICC-ES) desarrolló en el 2006 el Criterio de Aceptación para Anclajes Adhesivos Post-Instalados en Elementos de Hormigón (AC 308) que incluye las provisiones para calificar sistemas adhesivos de anclaje de acuerdo a los requerimientos del International Building Code (IBC). Los sistemas adhesivos que demuestren que se acogen al IBC, pueden ser utilizados con las consideraciones de anclajes a hormigón del código ACI 318 (American Concrete Institute, Building Code Requirments for Structural Concrete ( ACI 318).

El diseño estrcutural de conexiones incluye anclajes embebidos y post-instalados. Los anclajes embebidos se pueden utilizar directamente con las disposiciones de anclaje a hormigón del ACI 318. Los anclajes post-instalados son calificados según los criterios de aceptación de ICC-ES para (a) demostrar cumplimiento con el IBC, y (b) obtener datos para diseñar el anclaje con las disposiciones de anclaje al hormigón (ACI 318).

En el 2011, ACI desarrolló el estándar de prueba Calificación de anclajes adhesivos post instalados en hormigon (355.4) para de esta manera calificar los sistemas de anclaje adhesivo, armonizando así AC308 con un estándar de prueba ACI.

REPORTE DE EVALUACION DE SERVICIO Y CODIGO DE DISEÑO

Los informes ICC-ES sirven como una evaluación de terceros para productos técnicos de ingeniería. Estas evaluaciones se pueden utilizar para demostrar el cumplimiento del producto con IBC, sujeto a la aprobación de la Autoridad con Jurisdicción (AHJ). Los informes ICC-ES proporcionan información técnica en un formato estándar, pero pueden variar significativamente en profundidad y amplitud entre informes de productos. Las secciones del Informe incluyen información importante para seleccionar el sistema de anclaje adhesivo apropiado para una aplicación (Figura 1).



Los informes ICC-ES también incluyen tablas de datos publicados que pueden ser usados para diseñar anclajes con las disposiciones de anclaje al hormigón de ACI 318. La información de estas tablas puede incluir lo siguiente:

• Especificaciones y propiedades físicas de los anclajes
• Información de diseño para anclajes
• Información sobre el diseño asociado a la ruptura de hormigón
• Esfuerzo de adherencia

El diseño del factor de reducción de carga (LRFD), según ACI 318-14, requiere la evaluación de las capacidades correspondientes a los posibles modos de falla en tensión y corte para determinar qué modo de falla gobernará el desempeño del sistema de anclaje adhesivo. Un método abreviado para comparar los sistemas de anclaje adhesivo es comparar las resistencias de unión nominales que se enumeran en las tablas de informes ICC-ES. Sin embargo, estas tablas pueden diferenciarse por la condición del hormigón, los niveles de inspección, el rango de temperatura de servicio o el método de perforación. Las notas al pie de página al final de las tablas pueden incluir varios factores de reducción para los cálculos de diseño.

El informe ICC-ES finaliza señalando las instrucciones de instalación del fabricante, que deben describir los procedimientos de instalación congruentes con los que se han probado e incluido en el cuerpo del informe.






Figura 2: Sección 17.8.2 recomienda que se especifiquen parámetros específicos


Los sistemas de anclaje adhesivo se basan en la unión adhesiva como resultado de una reacción química entre el endurecedor y la resina. La unión formada con el material base como resultado de esta reacción química puede verse afectada por varios factores, incluida la temperatura y / o la presencia de polvo o agua. La Sección 17.8.2.1 de ACI 318 señala los parámetros característicos del esfuerzo de adherencia que deben incluirse en una especificación de anclaje adhesivo (Figura 2). Este artículo se enfoca en tres parámetros de esfuerzo de adherencia: métodos de perforación o limpieza de orificios, condición de humedad del hormigón y temperatura al momento de la instalación.

PRUEBAS DE CONFIABILIDAD DEL procedimiento de instalacion del fabricante

La instalación adecuada de un anclaje adhesivo incluye perforar el hormigon curado utilizando un método de perforación aprobado, limpiar el orificio perforado para eliminar el polvo y los escombros, inyectar correctamente el adhesivo e insertar el elemento de anclaje dentro del tiempo de gelado / tiempo de trabajo del adhesivo (Figura 3).



La limpieza adecuada del la perforación puede tener un impacto significativo en el rendimiento del sistema adhesivo. Las disposiciones de AC308 incluyen pruebas de referencia y confiabilidad para establecer un procedimiento adecuado de limpieza de perforación. Las pruebas de referencia establecen un procedimiento de limpieza de referencia mediante el cual se califica el adhesivo y se establecen los valores de adherencia. Los pasos típicos para la limpieza incluyen soplar el orificio perforado, cepillar el orificio con un cepillo de alambre de acero y volver a soplar el orificio. Aunque el método de soplado-cepillo-soplado es un método de limpieza tradicional para los sistemas de anclaje adhesivo, el número de iteraciones para cada paso, los cepillos de alambre de acero patentados y la presión prescrita de aire comprimido pueden variar por cada fabricante y cada sistema. En la prueba de confiabilidad subsiguiente, se prueba la misma configuración de anclaje con la mitad del número de pasos de limpieza de la prueba de referencia , con el propósito de validar que al menos un cierto porcentaje del valor de esfuerzo de adherencia es lograda bajo el procedimiento de limpieza reducido. Luego, con el procedimiento de limpieza de prueba de confiabilidad más bajo posible de 1 golpe, 1 cepillo, 1 golpe, el procedimiento de limpieza de prueba de referencia más bajo permitido es 2 soplidos, 2 cepillados 2 soplidos.

Los fabricantes tienen la libertad de seleccionar el nivel de procedimiento de limpieza para las pruebas de referencia de su sistema.. Más iteraciones de limpieza reducen la cantidad de polvo y escombros en el orificio perforado, aumentando la unión entre el adhesivo y el concreto. Algunos fabricantes optan por utilizar los pasos de limpieza mínimos posibles (2x2x2) con la intención de reducir el impacto asociado por la experiencia o habilidad del instalador para seguir los procedimientos de limpieza manual, confiando en la resistencia del sistema de anclaje adhesivo para brindar rendimiento.



Figura 4 Porcentaje de esfuerzo de adherencia que se debe lograr para las distintas categorías de anclaje


Si un sistema de anclaje adhesivo no alcanza un porcentaje específico del valor de tensión de aherencia de la prueba de referencia en la prueba de confiabilidad, el anclaje puede reportar una categoría más baja que la prevista o el número de iteraciones o la complejidad de los pasos de limpieza puede aumentar en la prueba de referencia para proporcionar una orificio más limpio en el que el adhesivo puede alcanzar de forma fiable el nivel de rendimiento previsto (Figura 4). Los pasos de limpieza para ayudar a lograr y mantener la adherencia incluyen cepillos de alambre de acero patentados específicos para el sistema de anclaje adhesivo, o el montaje con taladro de cepillos que pueden tener cerdas más anchas o compactas para eliminar el polvo.

En 2011, "Concrete International" publicó Un estudio de campo de las instalaciones de anclajes adhesivos , informando que el 77% de las instalaciones no cumplían con los manuales de instrucciones para usuarios, por lo que en el 2013 algunos fabricantes comenzaron a ofrecer tecnologías de anclaje para ayudar a reducir el error humano asociado a la limpieza de orificios de los sistemas de anclaje adhesivo. Estas tecnologías incluyen (a) un elemento de anclaje controlado por torque que se basa en el agarre por fricción en lugar de la ahderencia para transferir la carga y, por lo tanto, no requiere limpieza del orificio para lograr la capacidad de carga, y (b) un sistema de brocas huecas que extrae el polvo mientras se realiza la perforación.

Debido al creciente número de condiciones de salud graves y muertes asociadas a la silicosis (enfermedad pulmonar atribuida a la inhalación de polvo de sílice del concreto o mampostería) la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) aumentó las regulaciones sobre el polvo de sílice respirable y renovó su aplicación en junio de 2017. La Norma para la construcción de sílice cristalina respirable , conocida como OSHA 1926.1153, o la Tabla 1 , describe los niveles y métodos máximos para reducir la exposición al polvo de sílice respirable permitida por aplicación, incluido el método de limpieza de los sistemas de anclaje post-instalados.


La tecnología de limpieza de agujeros existente incluida en los informes ICC-ES se probó y se confirmó que cumple con el propósito de eliminación de polvo para cumplir con la Tabla 1 . Los fabricantes de anclajes que no tenían tecnología de limpieza de orificios existente se asociaron con los fabricantes de herramientas para desarrollar sistemas de eliminación de polvo para cumplir con la Tabla 1 . Hasta la fecha, algunos fabricantes han incluido sistemas de eliminación de polvo en un MPII sin incluirlos en las pruebas del informe ICC-ES. Algunos fabricantes que incluyen sistemas de eliminación de polvo en un informe ICC-ES aún pueden requerir pasos de limpieza manual, o su anclaje solo puede permitirse en condiciones de concreto seco.

efecto de las condiciones de humedad

Las pruebas de productos adhesivos según AC308 / ACI 355.4 establecen un factor de reducción de resistencia (factor φ) relevante para la confiabilidad o sensibilidad del producto con respecto a las condiciones de instalación. La sensibilidad del adhesivo puede verse influenciada por la mezcla del endurecedor y la resina, la limpieza de los orificios y el contenido de humedad del material base, entre otros. Los factores φ varían para las cargas de tensión, como se muestra en la Figura 5 . Tenga en cuenta que los adhesivos con alta fiabilidad tienen un factor φ de 0,65, mientras que los adhesivos con baja fiabilidad tienen un factor φ de 0,45. Los factores φ para un producto adhesivo pueden variar con respecto al diámetro del anclaje, los niveles de inspección especiales, la perforación de testigos o si el orificio perforado en el concreto está seco, saturado de agua, lleno de agua o completamente sumergido.


Figura 5. La confiabilidad de un anclaje adhesivo se refleja en un factor φ.


Los factores φ más bajos generalmente son el resultado de una sola condición de instalación adversa o de condiciones adversas combinadas. Algunos productos adhesivos se desempeñan al más alto nivel de confiabilidad, logrando un factor de 0.65 φ para condiciones favorables y adversas, como concreto seco y concreto saturado de agua, respectivamente. Es esencial estar al tanto a cualquier condición combinada en las pruebas de confiabilidad, ya que el factor φ resultante afecta directamente la capacidad de diseño y el desempeño del ancla.

Otros productos adhesivos tienen un factor φ de 0,65 para un elemento de anclaje de 3⁄8 de pulgada de diámetro y un factor φ de 0,45 para un elemento de anclaje de ½ pulgada de diámetro. Algunos factores φ se obtienen con el requisito de que todos los anclajes adhesivos, independientemente de la orientación de la instalación, estén bajo inspección continua, aunque el Capítulo 17 del IBC de 2015 requiere una inspección continua solo para los anclajes adhesivos que están inclinados horizontalmente hacia arriba con cargas de tensión sostenidas. Los factores φ están fuertemente influenciados por la presencia de agua que puede afectar la unión de un sistema de anclaje adhesivo al material base.

Aunque el entorno de oficina en el que diseñamos el anclaje es seco y con clima controlado, los lugares de trabajo donde se instala el producto rara vez lo son. AC308 define el concreto seco como concreto que no ha estado expuesto al agua en 14 días. Es probable que la mayoría de las regiones de América del Sur y Centro America experimenten precipitaciones, independientemente de la temporada, en un período de dos semanas.

ACI requiere considerar las condiciones de humedad en la fase de diseño. Ya sea que se genere un diseño de anclaje en respuesta a una Solicitud de información (RFI) para su instalación más tarde ese día o se desarrolle una sección de notas generales para los anclajes que se instalan durante la duración de un proyecto, el concreto saturado de agua es realista de asumir para un bases de diseño.

impacto de la temperatura de instalacion

Los anclajes adhesivos curan debido a una reacción química entre una proporción precisa de endurecedor y resina. La temperatura influye en gran medida en la velocidad a la que cura el adhesivo. Cuando la temperatura del hormigón es alta en el momento de la instalación, la reacción se acelera; cuando la temperatura del hormigón es baja en el momento de la instalación, la reacción se ralentiza. Cuatro consideraciones de temperatura incluyen el rango en el que se puede instalar el producto, el tiempo de curado requerido a una temperatura dada, el tiempo de gel / trabajo a una temperatura dada y los requisitos de acondicionamiento del producto para ser instalado correctamente en una aplicación dada.

Las temperaturas de instalación se incluyen en las disposiciones de anclaje al hormigón de ACI 318. Los fabricantes de anclajes adhesivos suelen probar sus productos para una amplia gama de temperaturas de instalación. Los rangos de temperatura más comunes incluyen 5 °C a 40 °C. Algunos productos, aunque no todos, han sido probados para su instalación a temperaturas mínimas de hasta -10° C. Consulte el informe ICC-ES para conocer las temperaturas de instalación específicas de un sistema de anclaje adhesivo para validar la aplicabilidad en las temperaturas realistas que pueden experimentar sus proyectos.

Idealmente, los sistemas de anclaje adhesivo logran un equilibrio realista entre el tiempo de curado y el tiempo de gelado/ trabajo. A medida que los programas de construcción continúan endureciéndose, se da prioridad a tiempos de curado más cortos que permitan una carga más inmediata. Esperar el tiempo de curado completo requerido para una temperatura determinada del material base antes de cargar es fundamental para el rendimiento de la adherenciaa. Una regla general seguida por muchos instaladores es esperar 24 horas después de instalar un sistema de anclaje adhesivo antes de cargar, independientemente del manual de instrucciones para usuarios. Algunos productos requieren tiempos de curado que exceden esta regla empírica, como se muestra en la Figura 6 . Es posible que se requiera un tiempo de curado adicional en condiciones saturadas de agua, como se muestra en las notas al pie de un informe ICC-ES o IPU




Figura 6. Tiempos de curado publicados requeridos entre 5 y 10°C


El tiempo de gel / trabajo es otra consideración importante en la selección de anclajes adhesivos. Durante el tiempo de gel / trabajo, el instalador debe inyectar la cantidad requerida de adhesivo en el orificio perforado sin vacíos de aire, insertar el elemento de anclaje a la profundidad de empotramiento requerida y colocarlo correctamente. A temperaturas elevadas, la mayoría de los productos tienen un tiempo de gelificación / trabajo de al menos cinco minutos en los que el instalador puede ejecutar estos pasos de manera razonable; otros productos permiten solo 90 segundos de gel / tiempo de trabajo.

Dependiendo de su composición química, los productos pueden requerir un acondicionamiento especial para usarse en ciertas condiciones ambientales. Los adhesivos a base de agua requieren un acondicionamiento mínimo del producto adhesivo a más de 0°C, y un requisito de acondicionamiento común entre los productos es un mínimo de 5 °C. Otros productos requieren que los instaladores acondicionen los productos adhesivos a 20 ° C cuando las temperaturas del material base son menores a 20 ° C.

PARAMETROS BASE DE DISEÑO CON ACI 318

ACI 318 reconoce que la confiabilidad del rendimiento del sistema de anclaje adhesivo se ve influenciada por las condiciones adversas del lugar de trabajo, incluidas las condiciones de humedad, la temperatura al momento de la instalación, los métodos de perforación y los procedimientos de limpieza. Si bien estos aspectos se abordan mediante pruebas según AC308, los esfuerzos de adherencia, los factores de reducción y las condiciones de uso resultantes incluidos en el informe ICC-ES varían significativamente entre productos.
La mejor práctica para ayudar a garantizar que el sistema de anclaje adhesivo cumpla con los requisitos de la Sección 17.8.2.1 de ACI 318-14 es la inclusión de parámetros de base de diseño en sus especifiaciones y en las notas generales. Ejemplos incluyen:

• Hormigón fisurado
• Hormigón saturado de agua
• Temperatura del material base en el momento de la instalación de -5°C a 40 °C
• Los métodos de perforación permitidos incluyen taladro percutor, broca hueca y taladro con núcleo de diamante.

Al incluir las expectativas de la base de diseño del producto final instalado, los ingenieros pueden ayudar a garantizar un rendimiento confiable en condiciones realistas del lugar de trabajo. 

Referencias

Alexis Clark , Beyond Bond https://www.structuremag.org/?p=15776
“Código de Ética para Ingenieros”. Sociedad Nacional de Ingenieros Profesionales . Sociedad Nacional de Ingenieros Profesionales, julio de 2019. Web. 18 de agosto de 2019.
Richard T. Morgan, PE “Cambios en las aprobaciones de los sistemas de anclaje adhesivo”, STRUCTURE, septiembre de 2015. www.structuremag.org/?p=8980
Grosser, Philipp; Fuchs, Werner; Eligehausen, Rolf. "Un estudio de campo de las instalaciones de anclajes adhesivos". Concrete International . American Concrete Institute, enero de 2011. Web. 08 de agosto de 2019. ( https://bit.ly/2ruo5Xa )