Guía para el diseño del refuerzo estructural (Ensayo)

Ensayo que describe las propiedades y características técnicas del sistema de FRP para el refuerzo estructural.

refuerzo fibra de carbono en losa estacionamiento

1.- Introducción.

El proyecto de estructuras y la producción de elementos constructivos de hormigón armado siempre se encuentra ligado a determinados valores de las solicitaciones. Sin embargo, durante la vida útil de la estructura, varias circunstancias pueden causar que las hipótesis iniciales del proyecto dejen de ser válidas:

-Modificación de la estructura.
-Envejecimiento de los materiales de construcción.
-Corrosión de la armadura.
-Sismos e incendios.

-Modificación de las normativas relacionadas con la capacidad de carga, hipótesis de carga, etc. 

En estos casos, y como requisito para la elaboración de un adecuado proyecto de refuerzo, rehabilitación o reparación, es necesario evaluar realísticamente las acciones actuantes.

Las técnicas válidas para el refuerzo de elementos constructivos de hormigón armado son básicamente los siguientes:

-Aplicación de recrecido u hormigón proyectado con refuerzo adicional.
-Aplicación de refuerzos en ranuras efectuadas en el hormigón.
-Pretensado exterior.
-Instalación de soportes o de apoyos adicionales.
-Encolado de platabandas de acero.
-Una alternativa a estos tipos de refuerzos es la utilización de materiales compuestos (FRP)

2. SELECCIÓN DEL SISTEMA DE FRP

Las fibras utilizadas en los materiales compuestos se encuentran embebidas en una matriz y se aplican como refuerzo a un elemento constructivo existente. Para refuerzos en flexotracción se pueden utilizar materiales compuestos laminados prefabricados. Como estos laminados prefabricados no pueden utilizarse para confinamiento o para refuerzos al corte, se ofrecen por laminación manual tejidos (sheets) “in situ”, constituidos por diferentes tipos de fibras. 

Diferentes tipos de fibras y materiales compuestos:

  Dirección de las fibras

Disposición de las fibras

Aplicación típica
Tejido S&P C Uni- direccional
rectas
aumento de rigidez
Tejido S&P G Bi- direccional
onduladas
aumento de ductilidad
Banda S&P CFK Uni- direccional
rectas (parcialmente pretesas)
aumento de rigidez

Tanto en los tejidos uni-direccionales tipo S&P C como en los laminados prefabricados tipo S&P CFK las fibras son rectas y se encuentran estiradas (aunque la aplicación manual del tejido provoca una ligera ondulación). Como consecuencia, estos productos son adecuados para absorber esfuerzos de tracción con un alargamiento mínimo. Tanto los tejidos como los laminados se utilizan preferiblemente para aumentar la rigidez del elemento constructivo.

Las fibras empleadas en la producción son fibras de carbono (C) con un elevado módulo de elasticidad. El parámetro básico de comparación entre diferentes tejidos (tipo C) y laminados (tipo CFK) es el módulo de elasticidad de las fibras.

En los tejidos S&P bi-direccionales las fibras están colocadas de forma ondulada debido al proceso de fabricación (weaving). Por este motivo, la absorción de esfuerzos de tracción tiene lugar con una mayor deformación. Los tejidos bi-direccionales resultan ideales para aumentar la ductilidad por confinamiento de un elemento constructivo (un campo importante de aplicación es la protección frente a sismo de las estructuras de hormigón).

Las fibras básicas utilizadas en el proceso de fabricación son fibras de vidrio (G glass) con un módulo de elasticidad de 70000 N/mm2 . Dependiendo de la aplicación se puede optar por fibras de vidrio normal (tipo E) o fibras de vidrio tipo alcalinoresistente (tipo AR).

La capacidad de deformación de las fibras de vidrio provoca que las concentraciones de tensiones que se producen al transferir la carga al substrato sobre el que se adhieren queden disminuidas, por lo que los tejidos de fibra de vidrio pueden aplicarse como refuerzo a substratos constituidos por materiales de baja resistencia a la tracción.

De este modo los tejidos de fibra de vidrio S&P G son aptos para el refuerzo de construcciones históricas o para la rigidización de paredes de ladrillo.

En cambio, para la utilización de tejidos de fibra de carbono S&P C se recomienda que el material de soporte tenga una resistencia a tracción superior a 1.0 N/mm2. Y como que se utilicen laminados prefabricados del tipo S&P CFK las concentraciones de tensiones son mayores se recomienda que en este caso los materiales de soporte tengan una resistencia a la tracción de 1.5 N/mm2.

Con el fin de garantizar la transmisión de la carga desde el sistema S&P FRP al material de soporte, se recomienda además tratar la superficie soporte mediante un arenado o un repicado.

3.- PROPIEDADES MECÁNICAS A LARGO PLAZO

Resistencia a la Fluencia lenta.


El comportamiento frente al creep (rotura bajo carga mantenida) de los CFRP es muy superior al de los materiales compuestos. Esto ha sido comprobado en un gran número de ensayos. En un ensayo de este estilo realizado con barras de CFRP en una solución salina no se registró ningún fallo en las barras al mantener la solicitación, a un nivel del 70% de su resistencia a la tracción a corto plazo, después de 10.000 horas.

Este comportamiento extrapolado para un período de 50 años se corresponde con un nivel de resistencia a tracción bajo carga mantenida del 79% de la resistencia a corto plazo. 
En casos habituales de refuerzo con CFRP el esfuerzo de tracción bajo carga de servicio permanente suele alcanzar valores máximos del 20% del valor de la resistencia a corto plazo. En estos niveles de solicitación no cabe considerar pérdida relevante de alguna resistencia como resultado del mantenimiento de la carga.

Resistencia a la fatiga.

Los materiales compuestos FRP constituidos por fibras de carbono C (CRP) presentan una elevada resistencia a la fatiga. En ensayos realizados en Japón con unas tensiones máximas hasta el 87.5% de la resistencia a tracción a corto plazo y con amplitudes de hasta 1000 Mpa, se alcanzaron más de 4·106 ciclos de carga.

En el caso de barras de CRP embebidas en hormigón, después de 4·105 ciclos de carga con un rango de fluctuación de 0.05 – 0.5fc y una frecuencia de 0.5 Hz no se produjo ningún fallo por fatiga y en los ensayos posteriores a tracción no hubo reducción alguna de la resistencia a tracción de las barras.

Fluencia y relajación.

La fluencia y la relajación expresan el comportamiento viscoelástico del material. En el caso de materiales compuestos, es posible distinguir entre fluencia debido al esfuerzo axial en las láminas y fluencia interlaminar. En los casos habituales de refuerzo con CFK ambos tipos de fluencia son muy pequeñas bajo las cargas permanentes que tienen lugar.

Las fibras de carbono, por sí solas, no presentan fluencia notable o pérdida de tensión como resultado de la relajación, bajo los niveles de carga mantenida predominante en estado de servicio. En contraste, la matriz de resina epoxi es un material viscoelástico aunque se puede considerar que la matriz de resina utilizada es elástico- lineal hasta un valor de la deformación por tracción εM= ± 20% ( valor que está muy por encima de los valores que se van a presentar en la práctica).

El valor de la relación entre módulos de Young Ef /Em=30 y los volúmenes habituales de la matriz Vm=±30% explican que la absorción de la fuerza de tracción por parte de la matriz sea solo del orden del 0.5% de la fuerza total de tracción. Por esta razón la redistribución de esfuerzos en las fibras como resultado de la fluencia de la matriz puede ser despreciada, fluencia que igualmente sería muy pequeña para los niveles de carga habituales. No existe tampoco correlación entre tiempo y resistencia para laminados con fibras continuas y con el esfuerzo de tracción paralelo a las fibras.

En cuanto a barras de CRP, ensayos de relajación realizados en un período de 3000 horas con un nivel de tensión inicial del 70% de la resistencia a tracción dieron pérdidas de relajación menores al 2%. Estas pérdidas se pueden extrapolar (utilizando un perfil logarítmico para la curva de relajación) a 50 años a pérdidas de relajación del 2 al 3%.

Todo esto justifica que se puede considerar que no exista fluencia o relajación significativas en los laminados de CRP encolados mediante resina epoxi utilizados habitualmente como refuerzo de estructuras.

4. PROPIEDADES FÍSICO- QUÍMICAS DEL MATERIAL

Durabilidad

La realización de un gran número de ensayos muestra que los CRP tienen una muy buena resistencia a los ataques químicos de relevancia en las aplicaciones constructivas. Por ejemplo, en ensayos bajo carga mantenida de barras CRP bajo niveles de tensión permanentes del 5 al 75% de la resistencia a tracción a corto plazo, a temperaturas entre 21-80ºC y sometidas a líquidos de pH entre 10-13.5 (simulando los existentes en los poros de hormigón) durante un período de tres meses no se observó ninguna reducción de la resistencia rasante interlaminar.

En ensayos realizados en vigas de hormigón pretensado con barras CRP tensadas al 40% de su resistencia a tracción a corto plazo e inmersas en soluciones alcalinas durante 81 días a un pH =12.5-13 no se obtuvo ninguna merma de resistencia. Ensayos paralelos en barras de CRP aisladas que fueron expuestas a las mismas soluciones a 60ºC tampoco revelaron influencia alguna en las propiedades mecánicas.

Propiedades Térmicas.

El coeficiente de dilatación térmica para los dos tipos de laminados S&P C en las direcciones longitudinal y transversal viene dado en la siguiente tabla.

Tipo de lámina aT; longit. (10-6K-1) aT; transv. (10-6K-1)
S&P 150/2000 ± 0 30
S&P 200/2000 ± 0 20

El coeficiente de dilatación térmica en la dirección transversal no tiene relevancia para el dimensionamiento. La diferencia entre el coeficiente de dilatación de los laminados S&P CFK en la dirección longitudinal y el de hormigón (aT=10·10-6K-1) podría tener un impacto negativo en la adherencia entre el laminado y el hormigón para fluctuaciones elevadas de temperatura.

Dos series de vigas se sometieron a ensayos estáticos a flexión en el EMPA, siguiendo 100 ciclos de hielo/ deshielo entre –25ºC y 20ºC comparándose los resultados con los obtenidos en vigas con un diseño idéntico y que no habían sido expuestas a estos ciclos de hielo/ deshielo. Las vigas de una de las series presentaban fisuras previas provocadas por cargas iniciales, mientras que las vigas de la otra serie no tenían fisuras.

Durante los ciclos de hielo, las vigas fueron saturadas con agua, lo que significaba que era posible estudiar la potencial pérdida de resistencia en el material compuesto provocado por el agua helada, además del potencial impacto de la incompatibilidad térmica del CFRP y del hormigón. Los resultados no revelaron ninguna reducción de la capacidad de carga a flexión en comparación con las vigas de referencia.

Otra viga de hormigón reforzada con láminas CFRP fue enfriada a –60ºC sin que la placa llegase a desprenderse del hormigón o pandease fibra alguna como resultado de las tensiones de comprensión inducidas.

En otros ensayos realizados no se observó daño en el adhesivo de adherencia entre un laminado de CRP (con fibras T700) y material soporte de aluminio hasta una temperatura mínima de –133ºC. El problema de la incompatibilidad térmica es más relevante en materiales compuestos de CFRP y aluminio que en CFRP y hormigón debido al alto coeficiente de dilatación térmica del aluminio (aT =23.4·10-6K-1).

Aunque en este ensayo no se pudo evaluar el impacto en la resistencia de adherencia, el test mostró que, bajo las condiciones de temperatura que se esperan en nuestras construcciones, no es de esperar pandeo en las fibras o en el laminado como resultado de las tensiones producidas por las fuerzas de compresión.

De acuerdo con el estado actual de conocimiento, el comportamiento diferente frente a la expansión térmica de los laminados de CRP y el hormigón de ninguna forma empeora la capacidad de carga de los elementos constructivos reforzados con laminados de CFRP. De todos modos, con el objetivo de prevenir cualquier incertidumbre potencial o falta de conocimientos se recomienda (de acuerdo con las directrices de dimensionamiento contenidas en unas normas aprobadas sobre el uso de laminados de CFRP como refuerzo) que el valor de dimensionamiento de la resistencia a rotura por adherencia sea reducido en un 10 % cuando se esperen fluctuaciones de temperatura muy altas. Esta reducción se basa en estimaciones aproximadas.

Comportamiento frente al fuego.

Las fibras de carbono tienen alta resistencia al calor. El punto de transición vítrea de la matriz de resina es TGM=100-130ºC. Sin embargo, la capacidad de carga del sistema compuesto viene determinada por el adhesivo, el cual tiene un punto de transición vítrea de TGK=±47ºC. Esta temperatura será alcanzada después de unos minutos en un incendio tipo.

Si el refuerzo está dimensionado de manera que, si falla el laminado, el coeficiente de seguridad residual es mayor que 1, entonces el tiempo de resistencia al fuego vendrá simplemente determinado por la resistencia al fuego del elemento de hormigón, es decir, por el recubrimiento de las armaduras existentes. Este puede aumentarse con una protección adecuada.

Si en cambio el nivel de refuerzo es tal que el coeficiente de seguridad residual en el caso de fallo del laminado es menor que 1, entonces debe proyectarse una protección contra el fuego suficiente como para asegurar que durante el tiempo deseado el adhesivo no alcance la temperatura TGK. Esto debe estudiarse particularmente en cada caso.