Refuerzos Estructurales con FRP

ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN REFORZADAS EXTERNAMENTE CON FRP

refuerzo estructuras hormigón

Durante su vida útil, una estructura de hormigón armado debe satisfacer diversos requisitos, los cuales pueden no ser totalmente conocidos en el momento del diseño. Por ello, se puede llegar a necesitar en algún momento un refuerzo estructural por alguna o varias de las siguientes razones:

 

  • Incremento de cargas.
  • Daño de partes estructurales (envejecimiento de materiales de construcción, daño causado por incendios, corrosión del acero de refuerzo, impacto de vehículos).
  • Mejoramiento de la capacidad de servicio (limitación de las deformaciones, reducción del esfuerzo en el acero, reducción del ancho de las fisuras).
  • Modificación del sistema estructural. Errores de diseño, cálculo o construcción.

Existen diversos métodos de refuerzo de estructuras, tales como: adhesión de láminas de acero con epoxi, instalación exterior de un sistema postesado, aumento de la sección de hormigón con o sin armadura adicional (mediante hormigón proyectado, por ejemplo).

El SISTEMA DE REFUERZOS ESTRUCTURALES ADCOS CARBOSTRIP está basado en la adhesión externa de bandas de polímeros reforzados con fibra de carbono (PRFC), mediante una formulación epoxídica, sobre elementos estructurales predominantemente flexados y solicitados a esfuerzos de corte. Ya hay en el mundo una cantidad muy importante de estructuras donde este sistema fue utilizado exitosamente (puentes, emparrillados de vigas, entrepisos sin vigas, losas precomprimidas, vigas y losas convencionales, etc.).

SISTEMA ADCOS CARBOSTRIP. VENTAJAS Y BENEFICIOS.CARACTERÍSTICAS TECNOLÓGICAS DE LOS MATERIALES COMPONENTES.

Desde 1967, ha sido posible incrementar la resistencia a flexión y a corte de estructuras existentes de hormigón armado, por medio de bandas de acero adheridas externamente. Si bien el método cuenta con un “Estado de la Técnica”, el mismo registra ventajas, así como también algunas desventajas (tabla N°1, figuras N°1 y N°2).

 

Criterio
Refuerzo con ADCOS CARBOSTRIP
Refuerzo con Bandas de Acero
Peso propio Bajo Alto
Resistencia a la tracción Muy alta Alta
Espesor Muy bajo Bajo
Corrosión Ninguna
Longitud de las bandas Cualquiera Limitada
Manejo Flexible, fácil Difícil, rígido
Capacidad de carga En dirección longitudinal únicamente En cualquier dirección
Cruces Fácil Complejo
Comportamiento
a la fatiga
Sobresaliente Adecuado
Costo de materiales Alto Bajo
Costo de instalación Bajo Alto
Aplicación Sin herramientas Con equipos de elevación y elementos de fijación


Tabla N°1: Ventajas y desventajas del sistema PRFC respecto del refuerzo con planchuelas de acero.

Bandas de PRFC

Gracias a investigaciones y desarrollos realizados en los últimos tiempos en el Centro Federal de Investigaciones y Ensayos de Materiales (EMPA) en Dübenford, hoy día es posible reemplazar el acero (material pesado) por materiales compuestos livianos a base de fibras sintéticas, entre las que podemos mencionar: fibras de vidrio (PRFV), fibras Aramid (PRFA) y las fibras de carbono (PRFC). Estas últimas son las que poseen las mejores características mecánicas (resistencia a la tracción y alto módulo de elasticidad longitudinal) y químicas.

Las láminas PRFC son una combinación de fibras de carbono con una matriz de resina epoxi, dispuestas longitudinalmente. Por lo tanto, en la dirección de la carga poseen una resistencia a la tracción y rigidez muy altas (figura N°3), así como también un comportamiento lineal hasta la rotura, un desempeño excepcional a la fatiga y al creep, y una densidad muy baja. Por otro lado, se debe mencionar la importante resistencia química, al envejecimiento y a los rayos ultravioleta (tabla N°2). Es menester aclarar que las resistencias en la dirección normal a las fibras y a cizallamiento son bajas.

LÁMINAS DE ADCOS CARBOSTRIP
Color Negro/blanco
Contenido volumétrico de fibras > 68%
Corrosión Invulnerable
Módulo de elasticidad longitudinal > 4500 - 5500 N/mm2
Resistencia a la tracción > 23 N/mm2
Deformación específica a la rotura > 1.70%
Densidad 1.50g/cm3
Fluencia Inexistente. Rotura frágil
Resistencia a la fatiga Sobresaliente


Tabla N°2: Datos técnicos de las láminas de PRFC

 

Formulación epoxi

La formulación epoxídica utilizada para adherir las bandas de PRFC sobre la estructura de hormigón es el Carbostrip (tabla N°3). Debe reunir ciertas propiedades (tabla N°3), destacables para este tipo de adhesivos, como ser: importante tiempo de pot-life, ausencia de solventes, curado rápido aún a bajas temperaturas, alta resistencia al creep bajo carga permanente, alta resistencia al impacto y a la abrasión, retracción por curado nula, etc.. La misma ha sido diseñada para permitir una adecuada adhesión entre materiales sumamente diferentes, como el PRFC y el hormigón.

PARÁMETRO
VALORES
Densidad (A+B) 1.77g/cm3
Pot-life* 30 minutos
Módulo de elasticidad* 4500 - 5500 N/mm2
Esfuerzo de adherencia (húmedo)*

3 N/mm2

Falla del hormigón

Resistencia a la flexión

23 N/mm2

Falla del hormigón 

Resistencia a la tracción 23 N/mm2
Punto de transición al vidrio* 80°C
Resistencia a la compresión 75N/mm2

Tabla N°3: Datos técnicos de la formulación epoxi Carbostrip

SISTEMA DE REFUERZO ADCOS CARBOSTRIP

Como el sistema de refuerzo no posee deformación plástica de reserva, el elemento estructural alcanza la máxima resistencia a flexión durante la fluencia del acero y antes de que el hormigón colapse (por compresión). El tipo de falla está influenciado por la sección transversal de la banda de PRFC.

Para limitar el ancho de fisura y la deformación, el punto de fluencia no debe ser alcanzado por la armadura en condiciones de servicio. Es menester aclarar que deberán evitarse las fisuras por corte para impedir eventuales desplazamientos relativos de la superficie reforzada, los que provocarían un posterior corte de la lámina (recordar la baja resistencia a cizallamiento).

PUESTA EN OBRA Y APLICACIÓN

Una vez identificado el sistema de refuerzo (con la intervención de un ingeniero estructuralista), se continúa con la fase aplicativa. La primera intervención debe asegurar la perfecta limpieza del sustrato del elemento a reforzar, mediante escarificación, chorro de arena o hidroarenado, de modo tal de eliminar la capa superficial del hormigón y permitir la correcta adhesión del sistema. Las planchuelas de PRFC, gracias a su bajo peso, pueden ser transportadas con facilidad para su posterior limpieza con un solvente especial (diluyente piroxilina). El corte de las mismas, para ajustar las longitudes, se realiza con una guillotina o con una sierra, gracias a la baja resistencia al cizallamiento.

Se continúa con la preparación del adhesivo de base epoxídica mezclando los dos componentes con un taladro de baja velocidad (500 r.p.m.), para evitar la inclusión de aire. Si existen cavidades en la superficie del hormigón, deben ser rellenas con un mortero epoxi de reparación. Se aplica sobre el hormigón y la banda de PRFC.

La aplicación de las láminas sobre el sustrato se facilita en gran medida debido al reducido valor de la densidad del PRFC, esto redunda en un bajo número de operarios, los cuales no constituyen una mano de obra especializada.

Asimismo, el sistema no requiere el uso de equipos de sostén y apuntalamiento (puntales o andamios especiales), indispensables en otros métodos de refuerzos.

Cuando el adhesivo haya curado, se debe verificar la existencia de oquedades. La superficie del refuerzo debe ser protegida de la incidencia directa de los rayos solares, para proteger la formulación epoxídica.

SISTEMA ADCOS CARBOSTRIP. ESQUEMA DE LOS TRABAJOS A REALIZAR

Sistema ADCOS CARBOTEX

Debido a diferentes requerimientos de reforzamiento en las obras también se utilizan tejidos de materiales compuestos en forma de tela adheridos con una resina epóxica. ADCOS Carbotex tiene tejidos de fibras de carbono y de fibras de vidrio respectivamente, unidireccionales, de alta resistencia y alto módulo.

Son saturados en obra usando el sistema epoxídico Carbotex para conformar sistemas de polímeros reforzados con fibras (PRF), usados para el refuerzo de elementos estructurales.

Dentro de sus principales aplicaciones, se destacan el refuerzo a flexión, a corte y compresión de elementos estructurales de hormigón armado y pretensado tales como vigas, columnas o muros en edificios, puentes, túneles, tanques, estacionamientos, muelles, plantas industriales, de agua, de energía, etc. por las siguientes causas:

Propiedades de la lámina curada
  Carbotex UD 200 Carbotex UD 300
Resistencia a la tracción >450 kN/m >450 kN/m
Módulo de elasticidad >236 Gpa >236 Gpa
Grosor 0,3 mm 0,4 mm
Peso por metro cuadrado 200 g/m2 300 g/m2
Elasticidad >1,6% >1,6%
Longitud por rollo 250 m 250 m
Ancho 300 mm 300 mm

PUESTA EN OBRA Y APLICACIÓN

La superficie debe estar limpia y sana. Debe estar seca (contenido de humedad < 4%). Es preciso remover polvo, grasas, compuestos curadores, impregnaciones, pinturas, revoques, partículas extrañas, material suelto o cualquier otro elemento que impida la correcta adherencia. Cuando la superficie sea irregular debe ser nivelada con un mortero de reparación adecuado (Carbotex 200 - 300). La resistencia de adherencia del hormigón debería ser verificada después de la reparación de superficie por un ensayo aleatorio de resistencia de adherencia (ACI 503R) a criterio del calculista. La mínima resistencia de adherencia debe ser de 15 kg/cm2 con falla del hormigón.

 

Para la preparación de la superficie de hormigón se recomienda utilizar chorro de arena o cualquier otro procedimiento de limpieza mecánica adecuada.

 

Antes de la colocación del tejido, la superficie de hormigón debe ser imprimada y sellada usando el adhesivo epoxi Carbostrip 300. El material puede ser aplicado por aspersión, brocha o rodillo.

 

El Adcos Carbotex debe ser cortado previamente a la longitud apropiada usando tijeras de tipo industrial o para trabajo pesado.

 

Debe evitarse el uso de cualquier elemento de corte sin filo que pueda debilitar o deshilachar la fibra.

 

El Adcos Carbotex debe ser saturado o impregnado en forma manual o mecánica y se colocará realizando solapes de al menos 15 cm inmediatamente después de impregnado el sustrato entre 30 minutos y 60 minutos después de imprimada la superficie de hormigón.

 

Luego de la colocación se procederá al sellado final del tejido con Carbostrip 300(con rodillo). El consumo de la resina epoxídica Carbostrip 300, depende de la rugosidad de la superficie y la práctica que se tenga en el procedimiento de impregnación del tejido, sin embargo el consumo teórico aproximado es de 1 kg/m2 de producto para la imprimación del sustrato y para la saturación o impregnación del tejido.

 

CONCLUSIONES

 

Puede apreciarse el avance de esta tecnología por las muchas ventajas tangibles que ofrece: menor tiempo de puesta en obra (propiedad tan deseada en muchos trabajos de hoy día), menor cantidad operarios en obra, prescindibilidad de mano de obra especializada y puntales y andamios de sostén especiales, excelente resistencia mecánica y química, etc. Todo esto redunda en una economía general de hecho en el transporte, montaje, mantenimiento de la estructura, etc., que podría no ser visualizada por el alto costo inicial del empleo de las bandas de PRFC y los tejidos de fibras.

 

El empleo de estas tecnologías en Argentina es bastante reciente, aunque ya son muchas las obras ejecutadas. Sin embargo en los EE.UU. y Japón se trabaja desde hace años con este tipo de productos; asimismo Suiza investigó, desarrolló y aplicó este sistema en una gran cantidad de obras y, a posteriori, se introdujo en el resto de Europa. A nivel Sudamericano, Colombia lidera el campo de las innovaciones en los refuerzos de estructuras con numerosos trabajos con PRFC (puentes, edificios de oficinas y estacionamientos).

 

Este método de refuerzo es una herramienta más que el ingeniero estructuralista tiene a su alcance para llegar a la solución técnico-económica que más se adecue a las patologías, falencias y tecnologías evidenciadas en cada caso particular a resolver.