REHABILITACIÓN DE VIGAS CON TEJIDOS DE CARBONO RESUMEN ABSTRACT

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1 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural REHABILITACIÓN DE VIGAS CON TEJIDOS DE CARBONO Amando Padilla Ramírez 1, Antonio Flores Bustamante 2, Leopoldo Quiroz Soto 3 y Julio César Reyes Ramírez 3 RESUMEN Este estudio presenta los resultados obtenidos al rehabilitar vigas de concreto reforzados mediante la aplicación de un tejido de fibras de carbono y resina epóxica. Las vigas rehabilitadas fueron ensayadas previamente a flexión en cuatro puntos hasta la falla. Posteriormente las vigas fueron reforzadas externamente con la fibra de carbono y resina epóxica, mediante un proceso de vacío. Una vez reforzadas las vigas, éstas fueron nuevamente sometidas al ensayo de flexión en cuatro puntos, observándose que las vigas rehabilitadas, alcanzaron una capacidad de carga del 85.3% y una rigidez del 70% con respecto a los valores originales. Esto consecuentemente generó un incremento de la flecha máxima en un 15%. ABSTRACT This study presents the retrofitting results on the concrete beams, using carbon fiber mat and epoxy resin like external FRP. Retrofitting beams were previously carried out to failure in bending test. After that, beams were external reinforced with a mat fiber carbon and epoxy resin using a vacuum process. Beams were tested again through flexural four points test. Results had shown that retrofitting beams reach 85.3% and 70% of load capacity and rigid respectively to the original data. This obviously increased on 15% the midspan. INTRODUCCIÓN Las estructuras de concreto se deterioran por varias razones como son el intemperismo y/o acciones mecánicas; por lo que la rehabilitación o incremento de su resistencia se ha llevado a cabo mediante el usos de placas de acero, lo cual tiene desventajas como la dificultad de su transporte, su manejo e instalación, así como la corrosión de las placas, la limitada disponibilidad de dimensiones de las mismas Los compuestos a base de polímeros reforzados con fibras (PRF), son materiales muy atractivos para se usados en aplicaciones de ingeniería civil, debido a su alta relación resistencia y rigidez mecánica contra su peso específico. Entre las aplicaciones más importantes esta el reforzamiento y rehabilitación de estructuras de concreto, mediante la adhesión externa del PRF a las estructuras de concreto. Trabajos desarrollados por Stalling et al.; Bonacci et al. Y Nelly et al, muestran algunas de las múltiples aplicaciones de estos materiales. Estas fibras y en particular las fibras de carbono, presentan módulos elásticos tan grandes como los del acero, con la ventaja de tener un peso específico de 3.5 veces menor en relación al acero, lo que genera que estos tipos de fibra tengan un alto módulo específico (relación entre módulo y peso específico). En el trabajo desarrollado por Fuentes Ortega se ha estudiado la efectividad de capas de refuerzo de fibra de vidrio adheridas externamente con resina epóxica en la resistencia a la flexión de vigas de concreto, 1 Profesor Investigador, Departamento de Materiales, UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo 180, Col. Reynosa Tamaulipas, México, D.F. Teléfono, (55) ; fax: (55) ; ajpr@correo.azc.uam.mx 2 Profesor Investigador, Departamento de Materiales, UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo 180, Col. Reynosa Tamaulipas, México, D.F. Teléfono, (55) ; fax: (55) ; jfb@correo.azc.uam.mx 3 Profesor, Departamento de Materiales, UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo 180, Col. Reynosa Tamaulipas, México, D.F. Teléfono, (55) ; fax: (55) , lqs@correo.azc.uam.mx 4 Estudiante de la Licenciatura de Ingeniería Civil, UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo 180, Col. Reynosa Tamaulipas, México, D.F. Teléfono, (55) ; fax: (55)

2 XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver mediante proceso de vacío y manual. En dicho estudio, se compara el comportamiento a la flexión de los elementos reforzados externamente en función al tipo de refuerzo y el tipo de proceso empleado en vigas de 15 x 15 x 60 cm., con refuerzo de acero. Los ensayos realizados mostraron un incremento de la capacidad de flexión de la viga en un rango del 25% al 42% tanto para las vigas reforzadas por proceso manual y por el proceso de vacío. También, se noto un aumento de la ductibilidad de la viga, ya que los esfuerzos cortantes son absorbidos por el refuerzo de fibra de vidrio. De aquí, la idea de evaluar el grado de rehabilitación de vigas ensayadas previamente a flexión. En este caso la rehabilitación se realiza empleando tejidos de fibra de carbono, resina epóxica y empleando el método de vacío para la aplicación del refuerzo externo. La selección de los materiales que conforman al material compuesto obedece en el caso de la resina epóxica a la compatibilidad con el sustrato de concreto, lo que favorece una alta adherencia no solo con la superficie de concreto sino también con la fibra de carbono. También la resina epóxica ofrece una baja contracción durante el curado (<1%) y una alta resistencia química y al medio ambiente.. La fibra de carbono es seleccionada por ofrecer una mayor resistencia mecánica. OBJETIVOS Y LINEAMIENTOS GENERALES La rehabilitación y el reforzamiento externo de elementos de concreto como viga, columnas, pueden ser realizadas mediante el uso de compuestos o laminados de FRP, dispuesto de diversas formas, dependiendo del tipo de esfuerzos predominantes. En este caso particular, el arreglo empleado fue colocando el tejido de fibra de carbono en forma de U tal y como se muestra en la Figura 1. El reforzamiento en flexión es mediante el compuesto de FRP unido a las zonas de tensión, con las fibras paralelas a los esfuerzo de tensión y el reforzamiento al cortante se realiza en la adhiriendo el compuesto de FRP a las caras laterales de la estructura Carga Refuerzo externo Fig. 1 Representación esquemática de la colocación del refuerzo externo en la viga de concreto. En muchos casos, la adhesión del compuesto de PRF al concreto es crítica, por lo que se requiere de una preparación previa de la superficie del concreto, básicamente consistente en una limpieza que renueva todos los contaminantes orgánicos, bituminosos, aceites o basuras. La superficie del concreto debe estar seca antes de la aplicación del PRF. La resina epóxica fue seleccionada, dada la buena adherencia reportada al concreto, y con el fin de asegurar una mayor adherencia, se emplea un proceso de vacío para aplicar el compuesto de PRF sobre la superficie del concreto. Este tipo de proceso permite aplicar una presión uniforme en toda la superficie que en el caso de la Cd. de México, es de prácticamente 7 toneladas por metro cuadrado. PARTE EXPERIMENTAL Materiales de refuerzo Los materiales usados como elementos de refuerzo externo fueron: Resina epóxica curada con aminas en relación 10:1 2

3 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural Tejido bidireccional de fibra de carbono con un gramaje de 800 gramos/m 2. Las propiedades mecánicas de este tipo fibra de carbono están reportadas en la Tabla 1 y son comparadas con las del acero. Material Tabla 1 Propiedades físico mecánicas de la fibra de vidrio tipo E Peso Especifico Resistencia a la tensión (GPa) Resistencia Especifica (1) Modulo Elástico (GPa) Modulo Especifico (2) Fibra de carbono Acero Notas (1) Resultado de dividir resistencia a la tensión entre el peso específico (2) Resultado de dividir módulo elástico entre el peso específico Elaboración de vigas Se elaboraron vigas de 60 x 15 x 15 cm de concreto armado con tres varillas de 3/8, con 3 anillos de alambrón colocados de acuerdo a la Figura 2, que servirán de testigo en un principio y posteriormente serán rehabilitadas con las fibras de carbono. Figura 2 Esquema de la colocación de varillas y alambrones en la viga de concreto Preparación del concreto para vigas y cilindros. En la elaboración de concreto se empleo cemento Portland CPO, agregados finos y gruesos de la región de la Ciudad de México El concreto se diseño para una resistencia a al compresión de 250 a 300 kg/cm2 de acuerdo. Para la dosificación del concreto se utilizó un programa de computación llamado Exe Dosificación ACI UAM, el cual requiere de la introducción de las características físicas de los materiales (el tamaño nominal del agregado grueso y el modulo de finura del agregado fino, así como la absorción y humedad de dichos agregados); el volumen de concreto a preparar, el revenimiento deseado y la resistencia de diseño. La formulación arrojada para una resistencia de 250 kg/cm2 y un revenimiento de 10 fue: Tabla 2. Composición de la mezcla de concreto para un volumen de 104 dm3 Componente Cantidad (kg) Cemento Portland ordinario Arena Grava Agua

4 XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver Curado de las vigas Las vigas se des-cimbran a las 24 horas de colado y son colocadas en cuarto de curado a una temperatura de 25 C y una humedad de 90%, durante 28 días. ENSAYOS MECÁNICOS. Compresión. Se realizaron ensayos a compresión de cilindros de 15 x 30 de acuerdo a la Norma NMX-C- ONNCCE Determinación de la Resistencia a la Compresión de cilindros de Concreto, a fin de verificar la resistencia del concreto empleado en la fabricación de las vigas. El ensayo se realizo en una máquina Control a una velocidad de deformación de 2.0 mm/min. La Tabla 3 muestra que se logro un 88% de la resistencia de diseño. Cilindro No Tabla 3. Resistencia a al compresión de la formulación desarrollada. Valor de diseño 250 Kg/cm2 Peso del cilindro Kg Diámetro del cilindro cm. Carga máxima registrada Kg f Resistencia a la compresión Kg f/cm 2 Variación porcentual respecto al valor de diseño , , , Promedio Flexión en cuatro puntos. Las vigas testigo y las vigas reforzadas con láminas de PRF fueron sometidas a ensayos de flexión en una máquina universal a una velocidad de carga de 1.3 mm/min, de acuerdo al esquema de carga mostrado en la Figura 4. De estos ensayos, se obtuvieron las graficas de deformación contra carga, a partir de las cuales se determinaron los valores de carga y flecha máxima. 15 cm Lo=15 cm 15 cm 3 cm 3 cm L= 45 cm Fig. 3 Representación esquemática y sección transversal de la viga bajo carga. PROCESO DE REHABILITACIÓN (REFORZAMIENTO) EXTERNA DE LAS VIGAS El proceso de rehabilitación de las vigas se llevó a cabo por un proceso de vacío, en el que se aprovecha la presión atmosférica para adherir la resina tanto a la superficie de la viga como a los tejidos de fibra de vidrio. 4

5 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural El laminado para la rehabilitación estuvo conformado por una relación de resina: fibra de vidrio nominal de 1:1. Sin embargo en el proceso de vacío fue del orden 55%, esto debido al efecto de la presión atmosférica mientras que en el proceso manual se ha observado un porcentaje final de fibra del 45%. Metodología de la aplicación. El primer paso consiste en limpiar la superficie del elemento de concreto, retirando el polvo y contaminantes que pudiesen reducir la adherencia de la resina y la fibra. Posteriormente se resanan y/o se rellenan las grietas usando la misma resina epóxica mezclada con un 30% de arena malla 100, Una vez realizada esta operación se procede a aplicar la resina epóxica sobre la superficie del elemento de concreto usando una brocha y una espátula, como se ve en las fotografías de l Figura 4. Fig. 4 Limpieza de la superficie del concreto y relleno de las fisuras con resina epóxica cargada con un 30% de finos A continuación se coloca el tejido de fibra y sobre ella se aplica una capa de resina epóxica con la ayuda de una espátula para una mejor distribución de la resina sobre la fibra (Véase fotografías en la Figura 5). Fig. 5 Aplicación de la resina y colocación del tejido de fibra de carbono sobre la estructura de concreto Una vez aplicada la resina y tendiendo los mismos cuidados de no torcer la fibra, se coloca una película de termoplástico que es adherida a la estructura de concreto y se realiza el vacío hasta un rango de -21 inch de Hg. La Figura 5, muestra fotografía del proceso. En este caso, se empleo una bomba de vacío Koblenz de ¼ HP. La presión ejercida es del orden de 0.73 kg/ cm2 lo que representa una carga de 7 toneladas por metro cuadrado. El vacío se mantiene hasta el curado de la resina que es del orden de 4 a 6 horas dependiendo de la temperatura ambiente 5

6 XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver Fig. 5 Colocación de película termoplástica y aplicación del vacío. La película se presiona el compuesto de PRF sobre la estructura de concreto con una presión del orden de 0.73 kg/cm2 RESULTADOS Y ANÁLISIS Comportamiento y tipo de falla en vigas originales En todas las vigas, al inicio aparecen un cierto número de fallas, las cuales empiezan a crecer. Las primeras en aparecer son las fallas de flexión que al llegar al acero, son absorbidas por la varilla a 45 cerca de los apoyos.. Debido al tipo de construcción de la viga, las fallas principales que se generan son por tensión diagonal, las cuales se caracterizan por su aparición y rápido crecimiento y son las causantes de la falla de la estructura de concreto. Esto se observó en el ensayo de las vigas testigo, que al llegar a esta condición se produce la fractura total de la viga (véase Figura 6). Fig. 6 Ensayo de flexión de viga testigo, donde se observa las fallas de tensión diagonal. Asimismo, la Figura 7, muestra la curva característica de las vigas testigo, en las que se observa la ruptura frágil de la viga al alcanzarse el valor máximo de carga. Alrededor de la carga de 70,000 N se produce una primera falla cortante la cual continúa su crecimiento con el incremento de la carga hasta una valor medio del orden de 90,000 N. 6

7 Carga N Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural Ensayo a flexión de Viga Testigo 1 100,000 90,000 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 30,000 20,000 10, Flecha mm Fig. 7 Gráfico carga deformación de viga original del ensayo a flexión Particularmente la flecha registrada a la primera falla cortante promedio de los testigos es del orden de 4.78 mm. De igual manera, la pendiente inicial hasta el punto en la que se observa la primera falla se incrementa de un valor medio de 12,728 N/mm para las vigas testigo a un valor medio de 28,939 N/mm. Vigas rehabilitadas Las vigas rehabilitadas fueron sometidas al ensayo de flexión en 4 puntos, bajo las mismas condiciones de velocidad de deformación, es decir a 1.00 mm/min. La Figura 8 muestra el montaje de las vigas en el equipo de prueba.. Fig. 8 Fotografías del ensayo a flexión en cuatro puntos del las vigas rehabilitadas En el seguimiento del ensayo el mecanismo de falla observada es debido al aplastamiento del concreto cerca de los puntos de apoyo cuando la adhesión es suficientemente fuerte para evitar la delaminación o separación del refuerzo. Esto mismo se aprecia en las fotografías de la Figura 9, en las cuales se muestra una excelente adherencia del refuerzo en la cara lateral, mientras que la falla sucede por compresión del concreto en la cara superior, apareciendo fisuras que se inician en la zona de apoyo de la carga. 7

8 XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver Fig. 9 Fotografías que muestran la gran adherencia del refuerzo sobre el concreto, debido al tipo de resina epóxica y al proceso de aplicación por vacío. Como puede observarse en la fotografía de la derecha, la falla ocurre por compresión del concreto No se observó en estas muestras, fallas debido al desprendimiento del refuerzo. Los desprendimientos aparentes observado, tal y como se muestra en las fotografías de la Figura 10, son debido al desprendimiento del concreto en las zonas donde existían previamente fisuras cortantes. Esto muestra la gran adherencia que se logra con la resina epóxica y el uso del proceso de vacío. Fig. 10 Fotografías de aparente desprendimiento de la fibra. Como puede observarse la fibra jala al concreto, de tal forma que es el concreto el que se desprende. La falla ocurre donde se localiza un fisura de cortante generada cuando se probo la viga por primera vez sin refuerzo..las vigas ya rehabilitadas muestran en general una disminución de la capacidad de carga, al igual que la rigidez de la viga y un consecuente incremento de la flecha máxima. Las Figuras 11,12 y 13 muestran las curvas carga deflexión mostradas en la viga original como en la viga ya rehabilitada. En todos los caso, se observo una disminución de la capacidad de carga máxima y una menor rigidez del elemento rehabilitado en comparación con el elemento original 8

9 Carga Newtons Carga Newtons Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural 100,000 Viga 1 90,000 80,000 70,000 60,000 50,000 40,000 Rehabilitado Original 30,000 20,000 10, Flecha mm Fig. 11 Gráfico carga deformación de viga original y rehabilitada en el ensayo de flexión 100,000 90,000 80,000 70,000 Viga 2 60,000 50,000 40,000 30,000 Rehabilitado Original 20,000 10, Flecha mm Fig.12 Gráfico carga deformación de viga original y rehabilitada en el ensayo de flexión 9

10 Carga Newtons XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver ,000 Viga 3 100,000 80,000 60,000 Rehabilitada Original 40,000 20, Flecha mm Fig.13 Gráfico carga deformación de viga original y rehabilitada en el ensayo de flexión En particular, la capacidad de carga máxima disminuye en un 6% para la Viga No. 3 hasta un 29% para la Viga No 2, lo cual puede estar relacionado con la resistencia original de la viga, ya que la Viga No. 3 presenta la mayor capacidad de carga (véase Figura 13) y la Viga No. 2 la menor (véase Figura 12). Finalmente, la Tabla 4, muestra los valores medios de carga máxima de las tres vigas tanto los originales como los valores después de ser rehabilitadas y ensayadas nuevamente. Como puede observarse, en promedio se recupera en un 85% la capacidad de carga, la rigidez en un 70% y se incrementa consecuentemente la flecha máxima en un 15%. Tabla 4. Valores medios observados en ensayo a flexión de las vigas originales y de las mismas vigas rehabilitadas Viga Carga Máxima Newtons Fecha Máxima mm Esfuerzo máximo MPa Deformación Máxima mm/mm Módulo Tangente MPa Originales 94, ,126 Rehabilitadas 80, Variación 14.7% -15.0% 14.7% -15.0% 30.0% CONCLUSIONES En base a los resultados obtenidos, se observó interesante recuperación de la capacidad de carga, al ser rehabilitadas externamente las vigas de concreto con laminados de resina epóxica y tejido de fibra de carbono. Esto aunado al bajo peso específico y facilidad de aplicación de este tipo de refuerzo resulta ser una atractiva solución. Por otro lado, el uso del sistema vacío en la aplicación, favorece el anclaje o adherencia del laminado de PRF, incrementando de esfuerzos de la viga hacia el refuerzo, lo que genera 10

11 Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural una buena recuperación de la capacidad de carga de la viga. A fin de corroborar la eficiencia de este tipo de resina y del proceso de vacío, se esta trabajando en la evaluación del grado de adherencia mediante ensayos de pullout en el que se comparan con resinas poliéster y aplicación manual.. Otro punto a considerar es el analizar los efectos que se pudiesen tener por efecto de la humedad y otros agentes ambientales en la duración de la adherencia. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a Sika Mexicana la donación de materiales para el desarrollo de este trabajo. REFERENCIAS J. M. Stallings M,,Tedesco J. W.,El-Mihilmy M., and McCauley M.; (May 2000), Field Performance of FRP Bridge Repairs ; Journal of Bridge Engineering, Vol. 5, No. 2,, pp Bonacci J.F., and. Maalej M.; (March 2006), Externally Bonded FRP for Service-Life Extension of RC Infrastructure ; Journal of Infrastructure Systems, Vol. 6, No. 1, pp Kelly, PL. Brainerd, M. L. Vatovec, M (1997) Sika CarboDure & Sikawrap Design Guideline Sika Corporation, Lyndhurst, NJ. Fuentes Ortega Julio César, (Septiembre 2007), Reforzamiento externo de estructuras de concreto con FRP (plásticos reforzados con fibras) Proyecto Terminal II, UAM Azcapotzalco,. Licenciatura de Ingeniería Civil. 11