UTILIZACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS EN LA REPARACIÓN Y EL REFUERZO

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2 EVALUACIÓN Y REHABILITACIÓN DE EDIFICIOS P. Roca (Ed.) CIMNE, Barcelona 2002 UTILIZACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS EN LA REPARACIÓN Y EL REFUERZO C. Cots y A. Godes Bettor MBT, S.A. Basters, Palau-solità i Plegamans (Barcelona), España carles.cots@mbt.com R. Gettu y C. Aire Universitat Politècnica de Catalunya Laboratorio de Tecnología de Estructuras Edificio C1, Campus Nord Jordi Girona 1-3, Barcelona, España ravindra.gettu@upc.es, Resumen. Los materiales compuestos armados con fibras (FRP Fiber Reinforced Polymers) se han usado, con éxito y durante muchos años, dentro de la industria de la aeronáutica y de la automoción. La elevada relación resistencia/peso y excelente durabilidad en ambientes agresivos, son las principales ventajas que motivan el empleo de estos materiales. En general, las fibras empleadas son: fibra de carbono, de vidrio y aramida. Los refuerzos adheridos de FRP, se presentan en los siguientes formatos: pletinas o laminados prefabricados a partir de fibras y matriz sintética, adheridos al paramento mediante adhesivo polimérico; hojas de fibra pura, impregnadas y laminadas in situ mediante capas sucesivas de resinas poliméricas; y perfiles preformados acoplables a estructuras existentes y ensambladas con adhesivos. La reducción del coste de estos materiales y el incremento del precio de la mano de obra, han permitido su introducción en el ámbito de la construcción; especialmente a modo de refuerzos externos adheridos, para reparación y refuerzo de estructuras existentes. Palabras clave: FRP, compuestos, fibra de carbono, fibra de vidrio, aramida, refuerzo externo, reparación. 1. INTRODUCCIÓN El empleo de materiales compuestos, ampliamente empleados en la industria aeronáutica, náutica y automovilística, se introducen, recientemente, en el ámbito de la construcción. La disminución de los precios y el mejor conocimiento de su comportamiento y producción ha permitido generalizar su uso en la industria en general, hasta fabricarse multitud de productos: desde artículos deportivos (bicicletas y raquetas de tenis), hasta elementos de protección y equipamiento militar. La motivación de uso viene determinado, de igual modo que en construcción, por las elevadas relaciones resistencia/peso así como su idónea durabilidad en ambientes agresivos. Se tratará específicamente, por su uso mayoritario actualmente, el empleo de materiales compuestos aplicados como refuerzos externos adheridos, sobre estructuras de hormigón y sobre mampostería y ladrillo. Igual consideración merece el creciente uso de materiales FRP a modo de armado principal de estructuras de hormigón, prescindiendo del acero, y destinadas a admitir ambientes muy agresivos (industriales, marinos) con bajo mantenimiento. La investigación llevada a cabo, y la evolución en los procesos de fabricación y diseño con materiales FRP heredada de otras industrias, permite ya en la actualidad, la fabricación de elementos portantes de naturaleza FRP. Adicionalmente a la durabilidad, se consiguen ahorros notables en transporte y puesta en obra, con facilidad de montaje y ensamblaje. Estas ventajas y la reducción de precio de los materiales derivados de la generalización de su uso y las economías de escala, compensarán, en un futuro inmediato, los sobrecostos actuales que frenan su empleo. Las necesidades de refuerzo de estructuras existentes son diversas: sobrecargas en la capacidad portante o restitución de la respuesta estructural original, pérdida por problemas de durabilidad, explosión o 179

3 accidente. Las respuestas constructivas a estas necesidades, tradicionalmente se han basado en el recrecido de secciones, con o sin armado, y posteriormente (con el desarrollo de adhesivos estructurales) mediante la adhesión y/o anclaje de chapas de acero en las zonas traccionadas. El empleo de materiales compuestos FRP, generalmente armados con fibra de carbono (por su módulo elástico similar al acero), sigue la misma filosofía que los refuerzos realizados con chapa de acero, aportando claras ventajas técnicas derivadas de su facilidad constructiva. La flexibilidad y adaptabilidad de los materiales FRP a diversas geometrías, permite resolver refuerzos inabordables mediante chapa tales como túneles, bóvedas y arcos, así como refuerzo a cortante y confinamiento. El formato de presentación del material, en forma continua, con facilidad de corte en obra, permite solventar la problemática de uniones y soldaduras (especialmente graves éstas, en chapa adherida con resina, debido al deterioro del adhesivo por exceso de temperatura). En Europa el empleo de materiales compuestos se introdujo hacia finales de los años 80 y principios de los 90, inicialmente a modo de demostraciones y experimentación. Sin embargo, no es hasta el año 1993, que en Suiza se iniciaron las primeras aplicaciones comerciales de estos materiales. Actualmente la falta de normativas comúnmente aceptadas, redactadas de forma independiente, para el diseño, recepción de materiales y control de ejecución, supone el único freno para la prescripción y uso generalizado de los materiales compuestos en construcción. El presente trabajo da una breve introducción a los compuestos FRP utilizados en la reparación, y una reseña de la metodología empleada en su aplicación y de las consecuentes ventajas y desventajas. 2. COMPONENTES Y PROPIEDADES DE LOS FRP Los materiales compuestos están formados por una cantidad variable de fibras de elevadas prestaciones embebidas en una matriz polimérica. Con el objetivo de adherir la cuantía resistente necesaria en el paramento traccionado, esto se puede realizar, principalmente, empleando dos formatos de FRP: laminados preformados compuestos y hojas de fibra de carbono pura, laminables in situ mediante capas sucesivas de resina. El comportamiento resistente del compuesto viene determinado por la calidad, cuantía, orientación y distribución de las fibras en la sección. Las resinas empleadas deberán trasmitir las cargas de fibra a fibra, y de éstas al soporte de hormigón. 2.1 Propiedades de las fibras La mayoría de compuestos emplea fibras de carbono, vidrio y aramida (Kevlar de nombre comercial). Las propiedades de las fibras empleadas se resumen en la Tabla 1: La fibra de carbono puede presentar un alto módulo elástico (640 GPa), muy superior al acero o parecido a éste (210 GPa). Esto no es así para la fibra de vidrio y aramida que presentan módulos más bajos. Casi siempre su comportamiento tenso-deformacional va a condicionar la elección del tipo de fibra a elegir: para refuerzos a flexión la fibra de carbono, y para el cosido de fisuras, incremento de ductilidad y confinamiento, frente el resto de fibras. Carbono Fibra Tensión de rotura a Módulo elástico tracción (MPa) (GPa) Elongación (%) Densidad Alta resistencia Alto módulo Muy alto módulo Vidrio Aramida Tabla 1: Propiedades de las fibras de carbono, de vidrio y aramida El excelente comportamiento de la fibra de aramida al impacto puede aportar resistencia al impacto en pilares y estructuras ante explosiones o accidentes (p.e., impacto de vehículos pesados). 180

4 La elección del tipo de fibra va a depender de las necesidades prescritas en el diseño mecánico, así como de su durabilidad en medios agresivos (aunque ésta se ve modificada por el recubrimiento mediante resinas sintéticas). Los aspectos relacionados con la durabilidad se tratan brevemente en los siguientes párrafos: Ataque químico: Las fibras de carbono y de aramida presentan muy buen comportamiento al ataque químico. Asimismo la mayoría de fibras de vidrio presentan problemas de durabilidad en medios alcalinos, aunque no por ácidos. La fibra de aramida puede absorber contenidos de humedad mucho más altos que el resto de fibras, lo que puede provocar problemas de adherencia en la interfase fibraresina. Algunos ensayos denotan la pérdida de propiedades resistentes ante la presencia de sales, debido principalmente al debilitamiento y rotura prematuras provocadas por la existencia de cristales. Rayos ultravioletas: La fibra de carbono y de vidrio no se ven afectadas por la luz ultravioleta. La aramida pierde coloración y sufre una ligera pérdida de resistencia, aunque embebida dentro de una matriz epoxi esto sólo sucede en las capas más externas. En cualquier caso la exposición directa al sol de las resinas estructurales puede provocar rigidización y pérdida de elasticidad. Generalmente, en estos casos se recurre a la aplicación de una pintura de protección (generalmente en base poliuretano alifático de color claro, inalterable en estas condiciones y con capacidad de reflejar parte del calor radiado). Resistencia al calor y fuego: La fibra de vidrio mantiene sus propiedades resistentes hasta 1000 C, la fibra de carbono hasta 650 C y la aramida hasta 200 C. En todas las situaciones, el comportamiento crítico al fuego va a venir determinado por la transición vítrea de las resinas de adhesión, situado en el entorno de 80 C (en función de la temperatura de curado de éstas). En estos casos es necesario estudiar la toxicidad o no de los gases generados durante la combustión. 2.2 Formatos Las fibras están disponibles en el mercado en dos formatos: laminados preformados y hojas de fibras. Además, existen perfiles preformados para confinamiento de columnas y pilares y perfilaría en forma de L para el refuerzo a cortante. El laminado prefabricado se produce mediante un proceso de extrusión industrial. En un proceso continuo, las fibras de carbono se embeben en una matriz de resina epoxi y se endurecen mediante calentamiento. Por razones técnicas, el método de extrusión permite un contenido máximo de fibras de aproximadamente el 70%. Los valores típicos de módulo de elasticidad, resistencia a tracción última y elongación máxima de los laminados habitualmente comercializados son aproximadamente igual a GPa, 2,5 GPa y 1,5-1,6%, respectivamente. Para la producción de laminados se utilizan distintos tipos de fibras de carbono con módulos de elasticidad y resistencias a la tracción diferentes. Las fibras con alta capacidad de deformación se pretensan durante el proceso de producción. Esto conduce a que el comportamiento del laminado sea elástico sobre un mayor rango de deformación. Gracias a esta tecnología se pueden utilizar fibras de carbono económicas con módulos de elasticidad bajos. La hoja de fibra es una lámina flexible compuesta por filamentos de fibra orientados principalmente en una sola dirección. Mediante el uso de un sistema de resinas específicas se obtiene un laminado polimérico ejecutado in situ. Según las necesidades estructurales del refuerzo a ejecutar, se pueden usar los distintos tipos de fibra disponibles. La hoja de fibra se está comercializando en estado puro y preimpregnada, con curado en obra mediante aplicación de calor o catalizador. Las propiedades resistentes de estos compuestos dependen de la cuantía incorporada, así como de la alineación de las fibras dentro de la matriz. Habitualmente, se emplean hojas unidireccionales (especialmente para fibra de carbono), aunque para hojas de vidrio y aramida se pueden encontrar hojas bidireccionales. Esto es así porque el efecto de tejido, con la ondulación en estado remanente de la fibra, implica una pérdida de módulo en las primeras fases de carga. En fibras de bajo módulo (vidrio y aramida) esto no es grave, aunque si que puede ser un factor a tener en cuenta para carbono. Habitualmente, y de requerir refuerzo en dos direcciones se solapan capas cruzadas con perfecta adhesión y fácil ejecución. 181

5 2.3 Resinas Las resinas generalmente empleadas son de naturaleza epoxi (libres de disolventes) bicomponentes, con viscosidad y consistencia de acuerdo al modo de aplicación del refuerzo. La selección del tipo de resina debe tener en cuenta el rango de temperaturas durante la aplicación así como una vez la estructura esté en condiciones de servicio. Merece especial atención el punto de transición vítrea de la resina, a partir del cual el producto empieza a perder propiedades mecánicas, con mayores deformaciones y menor rigidez. En general esta temperatura depende de la temperatura de curado, y se sitúa alrededor de C. Adicionalmente a los criterios de resistencia estructural, debe prestarse especial atención a la producción de gases tóxicos durante la combustión, limitándose por parte de la propiedad los valores límites, y exigiéndoselos a los fabricantes. 3. APLICACIÓN DEL REFUERZO La manera de aplicar el refuerzo de FRP sobre la estructura depende del formato utilizado. Sin embargo, existen aspectos comunes a todas las aplicaciones: preparación de la superficie de la estructura o soporte, ajustar las dimensiones de la lamina/hoja de FRP, preparación de la resina y pegado del FRP al soporte. 3.1 Soporte Las superficies de hormigón a reforzar deben estar en buenas condiciones en el momento de ejecutar los trabajos de refuerzo (ver Figura 1). En general, el soporte no debe presentar hormigón degradado o fisurado, con armaduras expuestas o existencia de corrosión. Existiendo grietas, estas deben ser selladas y, siempre que sea posible, inyectadas mediante resinas epoxi fluidas y libres de disolventes. Otras oquedades notables, que puedan venir a provocar fuerzas de desvío importantes, deben ser niveladas mediante la aplicación de morteros apropiados previa imprimación. El soporte debe de tener una resistencia a tracción mayor que 1,5 MPa para el caso de refuerzo con laminados y mayor que 1,0 MPa para el caso de refuerzo con hojas de fibra. Es necesario controlar la humedad del soporte, que no deberá ser, en general, superior a 4%; la medición se realiza mediante aparato tipo CM-GERAT por reacción química con carburo de calcio. (a) (b) Figura 1 - Tratamiento del soporte. (a) Limpieza de la superficie con disco de diamante y (b) superficie tratado con árido visto y limpio Sobre las superficies que hayan perdido espesor de recubrimiento se realizará una regeneración, buscando restituir el perfil original al elemento y regularizar las superficies con el fin de que el espesor de resina epoxi sea mínimo. Se utilizará un mortero de reparación estructural (morteros tixotrópicos de altas prestaciones y con retracción compensada), para la reparación. 3.2 Aplicación de FRP laminado La aplicación de laminados de FRP, preformados únicamente precisarán de su adhesión sobre el soporte existente. Para ello habitualmente se emplean adhesivos de viscosidad pastosa, previa aplicación de una 182

6 imprimación fluida a rodillo. El bajo peso de los compuestos laminados no precisa de apuntalado, y la adecuada consistencia del adhesivo (con una formulación compatible con las temperaturas existentes) es suficiente. Es necesaria una presión uniforme con objeto de permitir el rebose del adhesivo sobrante (ver Figura 2). (a) (b) Figura 2 - Aplicación del laminado. (a) Colocación de los laminados y aplicación de presión para quitar resina sobrante y (b) puesta en obra 3.3 Aplicación de FRP laminado pretensado La elevada capacidad resistente de la fibra abre las puertas a refuerzos activos mediante la aplicación de una fuerza al FRP previa al endurecimiento del adhesivo. Obviando la complejidad de los sistemas hidráulicos, sensores y de pletinas de anclaje, las tareas de adhesión son exactamente las mismas. El carácter unidireccional de los compuestos y la imposibilidad de utilizar anclajes pasantes obliga a emplear pletinas de acero adheridas y atornilladas como soporte necesario para la reacción del gato y como soporte activo de empuje en el laminado (ver Figuras 3a y 3b). Después de la aplicación de la fuerza de pretensado (ver Figura 3c) y el curado del adhesivo, se corta el extremo del laminado para transferir la fuerza de pretensado (ver Figura 3d). (a) (b) (c) (d) Figura 3 - Aplicación de laminados pretensados. (a) Pletinas ancladas a los extremos de los laminados, (b) pletinas de anclaje y de apoyo para el gato, (c) aplicación de la fuerza y (d) laminados después de la transferencia del pretensado por corte de los extremos 183

7 3.4 Aplicación de hoja de fibra Los trabajos de puesta en obra de la hoja de fibra (pura) son mayores, ya que requieren la laminación del FRP in situ, mediante la impregnación con un sistema completo de resinas, de distintas viscosidades y consistencias. La hoja de fibra debe quedar embebida entre dos manos de resina impregnante y al mismo tiempo adherida sobre un soporte imprimado con una resina fluida de anclaje. Todos los productos son aplicados a rodillo, si obviamos el empleo de maquinaria de impregnación (ver Figura 4). Figura 4 - Dispositivo de impregnación automática Sobre de la imprimación del soporte a rodillo con epoxi fluída (ver Figura 5a), se aplica la fibra impregnada (ver Figura 5b) capa por capa mediante rodillos de ranuras (ver Figura 5c). Se aplica una segunda mano de impregnación a rodillo y de requerirse más capas se seguirán los anteriores pasos a excepción de la imprimación del soporte. Entre capa y capa deben transcurrir un mínimo de 30 minutos y un máximo de 48 horas. Sobrepasado el tiempo máximo es preciso lijar el paramento antes de reanudar los trabajos. (a) (b) (c) Figura 5 - Aplicación de las hojas de fibra. (a) Soporte preparado, (b) impregnación de la hoja y (c) colocación de las hojas sobre el soporte Para aquellas aplicaciones que se requiera un acabado con mortero o enlucido de yeso, mientras la última mano esté fresca, se procederá al espolvoreo de arena de sílice. 184

8 4. MODOS DE FALLO DEL REFUERZO 4.1 Consideraciones previas Una estructura de hormigón puede requerir ser reforzada por distintos motivos: Sobrecargas superiores a las proyectadas inicialmente, debido a cambios de uso o cambios y/o reajustes de normativas (p.e., normativa sísmica). Errores de proyecto y/o ejecución con deficiencia de armadura convencional de acuerdo a las cargas y geometrías previstas. Reparación de elementos con problemas de durabilidad y oxidación de armado, impactos y explosiones. Conexión y ensamblaje en uniones de hormigón prefabricado. Variaciones no previstas de la geometría estructural con objeto de alojar instalaciones, ascensores o escaleras mecánicas. En la mayoría de casos, los refuerzos son adheridos a estructuras bajo cargas permanentes, con existencia de deformaciones en los paramentos traccionados remanentes en condiciones de servicio. Por ello, las cuantías de FRP adheridas aportadas, se movilizarán y entrarán en carga bajo las deformaciones provocadas por las nuevas cargas variables. Sin embargo, soluciones como el apuntalamiento previo, con recuperación de flechas y esfuerzos mediante gatos hidráulicos de levantamiento, permite activar la capacidad portante del refuerzo pasivo adherido. Por otro lado, el uso del laminado pretensado, permite absorber cargas permanentes y variables, controlando al mismo tiempo, el estado de deformabilidad del elemento bajo condiciones de servicio. La utilización apropiada del FRP para el refuerzo de elementos, independientemente de la geometría del elemento a reforzar, puede resultar en uno o varios de los siguientes beneficios: Incremento del momento último, mediante adhesión de cuantía resistente en el paramento traccionado. Incremento del cortante último, mediante adhesión en el alma de una viga, colaborando a modo de estribo a interceptar los tirantes generados. En general, se resuelve mediante la adhesión de fibra pura laminada in situ, no aceptándose, excepto para grandes cantos, la adhesión de laminados preformados. Incremento de la resistencia a compresión, confinando la sección existente mediante el zunchado con fibra pura. Para geometrías repetitivas es viable el empleo de perfiles prefabricados que únicamente precisan el ensamblaje. En el proceso de conseguir la mejora del comportamiento mecánico, se pueden encontrar uno o diferentes combinaciones de los siguientes modos de fallo del elemento o estructura reforzada [1, 2]: fallo de los materiales correspondientes a la estructura reparada y/o de los de reparación, y el fallo de las interfases entre los materiales. A continuación se detallan los distintos mecanismos de rotura considerando dos tipologías importantes de los elementos reforzados: los sometidos a flexión y los sometidos a compresión. 4.2 Rotura de elementos reforzados de hormigón sometidos a flexión Los posibles mecanismos de rotura en elemento sometido principalmente a flexión son los siguientes [1, 3]: Rotura del FRP por llegar a su resistencia a tracción. Es una rotura brusca pero poco probable en elementos reforzados por laminados pegados a la superficie traccionada sin que antes no se haya producido el fallo del soporte por tracción o cortante. Rotura del soporte en la zona comprimida de la estructura. Es también una rotura brusca controlado por la resistencia a compresión del hormigón. Rotura del acero de armado de la estructura. Es una rotura condicionada por la resistencia a tracción de la armadura. Delaminación ("peeling") del refuerzo. Es una rotura bastante común del hormigón adherido al refuerzo por el desgarramiento del mismo. Las zonas más susceptibles a rotura son la zona debilitada 185

9 a lo largo de las armaduras o cerca de la superficie. La rotura ocurre después de la aparición de una fisura de flexión o cortante que produce una discontinuidad y pérdida de adherencia local. La falta de planeidad en la superficie del soporte también puede provocar la delaminación del refuerzo. Rotura por fallo de adherencia entre el FRP y la resina provocada por una mala preparación de la superficie del compuesto. Rotura por fallo de adherencia entre la resina y el soporte provocada por la insuficiente preparación de la superficie del soporte. Rotura por fisuración del hormigón en la zona donde termina el refuerzo asociado a un anclaje insuficiente. Para que no se produzca este tipo de rotura se puede aumentar la longitud de adherencia o alguna técnica especial de anclaje. 4.3 Rotura de elementos zunchados sometidos a compresión El refuerzo de un elemento sometido principalmente a compresión axial, tipo pilar, se realiza para aumentar su capacidad de carga y/o ductilidad. Una de las posibles soluciones es por el zunchado con FRP, lo cual produce un efecto de confinamiento pasivo hasta la rotura del compuesto por llegar a su resistencia a tracción. Debido a que esta rotura es muy brusca y explosiva, se debe diseñar bien el refuerzo teniendo en cuenta el tipo de fibra (vidrio o carbono) y el número de capas. En un reciente estudio en la UPC, se ha evaluado el comportamiento del hormigón zunchado por hojas de fibra de vidrio (FRPV) y de fibra de carbono (FRPC). Se emplearon entre 1 y 6 capas de confinamiento de FRP para el hormigón de baja resistencia (25 MPa) y entre 1 y 12 capas de FRP para el hormigón de alta resistencia (60 MPa). La Tabla 2 presenta información proporcionada por el fabricante (Bettor MBT) sobre las propiedades de los FRP empleados. Las FRPC, identificada como CF120, son hojas de fibra de carbono unidireccional, mientras que las FRPV, identificada como GAR 90/10 son hojas de fibra de vidrio bidireccional resistente a álcalis. Propiedad FRPC FRPV Espesor CF 120 GAR 90/10 A mm mm Peso 200 gr/m gr/m 2 Ancho 300 mm 680 mm Densidad 1.7 gr/cm gr/cm 3 Módulo de elasticidad 240 GPa 65 GPa Resistencia a tracción 3.9 GPa 3 GPa Elongación última 1.55% 4.3% Tabla 2: Propiedades de los FRP empleados Los ensayos fueron realizados en la configuración mostrada en la Figura 6. En cada ensayo un cilindro de mm de hormigón zunchado con una o varias capas de FRP fue sometido a compresión uniaxial en una prensa Suzpecar-MTS de 4,5 MN de capacidad. 186

10 Figura 6- Configuración del ensayo Los ensayos se realizaron aplicando carga únicamente sobre la sección de hormigón. Para esto se colocaron dos placas circulares de acero, de 150 mm de diámetro y 45 mm de espesor, una en la parte superior y la otra en la parte inferior de la probeta, lo que garantiza que la carga sea aplicada sobre la superficie de hormigón. Para minimizar el efecto de la fricción entre las placas de acero y el hormigón, se colocó en la interface una combinación de teflón/grasa/teflón (teflón de 0.1 mm). Posteriormente, se colocan tres transductores de desplazamiento tipo LVDT entre los platos para medir la deformación axial de la probeta. El modo de fallo está gobernada por la rotura del FRP. En general, la línea de rotura fue perpendicular a la fibra. Comparando los dos tipos de fibra, se observó que el modo de fallo de los FRP de vidrio es menos repentino y explosivo que los FRP de carbono. En ambos casos, la rotura fue predecible debido a los sonidos originados por el estallamiento inicial de las fibras. Otra característica del modo de fallo de las probetas es que hubo una pequeña capa de hormigón o mortero adherida al FRP, ensayado, lo que indica que la adherencia entre el hormigón y el FRP fue satisfactoria. Por otro lado, en todos los casos la rotura se presentó lejos de la zona de traslape entre capas de FRP. Las Figuras 7-10 muestran el comportamiento tensión-deformación de los hormigones de baja (HF30) y alta resistencia (HF70) confinados con FRP, donde los valores positivos corresponden a las deformaciones axiales, mientras que los valores negativos son las deformaciones transversales. Tensión, MPa capas 80 6 capas 60 3 capas 3 capas 40 1 capa 1 capa 20 sin confinar sin confinar Deformación transversal Deformación axial Figura 7 - Curvas tensión-deformación del HF30 confinado con FRP de vidrio 187

11 Tensión, MPa capas capas 80 3 capas 3 capas capa 1 capa 20 sin confinar sin confinar Deformación transversal Deformación axial Figura 8 - Curvas tensión-deformación del HF30 confinado con FRP de carbono Tensión, MPa capas 9 capas 6 capas 3 capas 1 capa sin confinar 12 capas 9 capas 6 capas 3 capas 1 capa sin confinar Deformación transversal Deformación axial Figura 9 - Curvas tensión-deformación del HF70 confinado con FRP de vidrio Tensión, MPa capas 9 capas 6 capas 3 capas 1 capa sin confinar 12 capas 9 capas 6 capas 3 capas 1 capa sin confinar Deformación transversal Deformación axial Figura 10 - Curvas tensión-deformación del HF70 confinado con FRP de carbono 188

12 De las Figuras 7 a 10, se puede decir que el comportamiento tensión-deformación del hormigón confinado con FRP puede dividirse en tres regiones. En la primera región el comportamiento es muy similar al hormigón sin confinar, sin embargo, la curva asciende mas allá de la tensión pico del hormigón sin confinar, sobretodo en el hormigón de alta resistencia. En esta región, las tensiones y deformaciones producidas sobre el hormigón, debido al confinamiento son muy pequeños. Cuando se incrementa el microagrietamiento, se presenta una zona de transición en la cual el FRP ejerce presión lateral sobre el hormigón que neutraliza la degradación de la sección de hormigón. Finalmente, en la tercera región, el hormigón empieza a agrietarse y se activa totalmente el FRP, incrementando la capacidad de resistencia, capacidad de absorción de energía y ductilidad de las probetas. La respuesta en esta región es principalmente dependiente de la rigidez del FRP. En todos los casos de multicapas de FRP, la pendiente del régimen post-agrietamiento (tercera región de la curva), se incrementa con el número de capas. En los casos del hormigón de baja resistencia confinado con FRP de vidrio y carbono, el cambio de pendiente ocurrió alrededor de la tensión pico y su correspondiente deformación. Esto indica que el confinamiento con FRP es efectivo solo después que el hormigón empieza a agrietarse. Además, la pendiente de la respuesta post-agrietamiento o de endurecimiento y la deformación última (es decir, el final de la curva) se incrementa con el número de capas de FRP. Por otro lado, en el caso de los hormigones confinados con FRP de vidrio, se observa una caída de la tensión después del pico. Sin embargo, esta caída no es tan repentina como en el caso del hormigón sin confinar. Si comparamos las curvas tensión-deformación axial de los hormigones de baja y alta resistencia confinados con multicapas de FRP de carbono (Ver Figuras 8 y 10), se puede decir que los incrementos de deformación axial son mayores en el hormigón de baja resistencia. Igual que en el caso anterior, el confinamiento con FRP de carbono es más efectivo en el hormigón de baja resistencia. Por otro lado, si comparamos las curvas tensión-deformación axial de los hormigones de alta resistencia confinados con FRP de vidrio y carbono, se puede decir que las máximas deformaciones son mayores en el caso del FRP de carbono, excepto para el caso de 1 capa de FRP de carbono. En el caso de las curvas tensióndeformación transversal, para 3 capas se observa grandes incrementos de la deformación transversal respecto del hormigón sin confinar. Sin embargo, para 6 o más capas estos incrementos no son tan significativas. Para una comparación más cuantitativa, la Tabla 3 presenta los resultados de los ensayos, donde f cpico es la tensión pico del hormigón confinado, pico, tpico su correspondiente deformación axial y transversal, respectivamente, E el módulo de elasticidad. Los valores de tensión pico y sus correspondientes deformaciones axiales y transversales del hormigón sin confinar son, c y t, respectivamente. Los resultados de la Tabla 3, muestran un significante incremento de la resistencia y capacidad de deformación debido al confinamiento con multicapas de FRP de carbono y vidrio. Sin embargo, parece que el confinamiento es más eficiente en el hormigón de baja resistencia. Por otro lado, para el mismo tipo de hormigón, el confinamiento con FRP de carbono es más eficiente que el confinamiento con FRP de vidrio. Sin embargo, los resultados de las deformaciones transversales son bastante similares. Asimismo, para el mismo tipo de hormigón, independientemente del número de capas de FRP de confinamiento, no hay variación significativa del módulo de elasticidad. A continuación se describen algunos detalles de los resultados. 189

13 Hormigón Nº cpico pico E cpico/ c pico/ c tpico tpico/ t Capas MPa GPa FRPV HF FRPC FRPV 1 79* * * * HF FRPC 1 94* * * *Promedio de 2 valores Tabla 3: Resultado de los ensayos del hormigón confinado con FRP En el caso del hormigón de baja resistencia HF30, no existe incremento en la tensión cuando es confinado con 1 capa de FRP de vidrio. Sin embargo, para 3 capas hay un incremento del 50%, mientras que para 6 capas la tensión se incrementa en 100%, es decir, duplica su valor. En el caso del hormigón de baja resistencia HF30 confinado con FRP de carbono, se observa in incremento del 10% en la tensión cuando es confinado con 1 capa. Para 6 capas hay un incremento del 80%, mientras que para 6 capas 160% de incremento en la tensión. La comparación de estos resultados permite establecer que la eficiencia de confinamiento es dependiente del tipo de FRP, siendo mayor en el caso del confinamiento con FRP de carbono. Similarmente, en el caso del hormigón de alta resistencia HF70 confinado con multicapas de FRP de carbono y vidrio se observa grandes incrementos en la tensión. Como en el caso anterior, estos incrementos son más significativos cuando son confinados con FRP de carbono. Así por ejemplo, cuando es confinado con 6 capas de FRP de vidrio el incremento es de 40%, mientras que para confinamiento con FRP de carbono es de 130%. De la misma manera, cuando es confinado con 12 capas de FRP de vidrio hay un incremento de 150%, mientras que es 210% para el FRP de carbono. 190

14 Si comparamos los resultados de los dos tipos de hormigón confinados con el mismo tipo de FRP, se puede decir que en el caso del hormigón de baja resistencia HF30 es suficiente 6 capas de FRP para duplicar la tensión del hormigón sin confinar, mientras que para el hormigón de alta resistencia HF70, se necesitan 9 capas de FRP de vidrio, para obtener este valor. De la misma manera, para 6 capas de FRP de carbono la ganancia en resistencia es de 160% en el caso del hormigón de baja resistencia HF30, mientras que para el hormigón de alta resistencia el incremento es de 130%. En general, el confinamiento con FRP de carbono es más efectivo en incrementar la resistencia del hormigón, sin embargo, la eficiencia del confinamiento es mayor en el hormigón de baja resistencia. El efecto más importante del confinamiento con FRP es la deformación axial en falla. La Tabla 5.4 muestra que la deformación axial de los hormigones confinados con FRP, es considerablemente mayor que la deformación correspondiente al hormigón sin confinar. Por otro lado, si consideramos el valor pico/ c como un índice de ductilidad, se puede establecer que la ductilidad se incrementa cuando se incrementa el número de capas de FRP. Sin embargo, se observa que este incremento es más significante en el caso de los FRP de carbono que en el caso de los FRP de vidrio. Esto puede atribuirse al mayor módulo de elasticidad y resistencia a atracción del FRP de carbono. Por otro lado, el incremento del índice de ductilidad es mayor en el caso del hormigón de baja resistencia HF30 en comparación con el hormigón de alta resistencia HF VENTAJAS Y DESVENTAJAS EN EL EMPLEO DE MATERIALES COMPUESTOS 5.1 Ventajas Los materiales compuestos son muy ligeros (densidad de 1.7gr/cm 3 frente 7.8gr/cm 3 del acero), con elevadas propiedades resistentes (2,5-4 GPa frente MPa del acero). Ambas propiedades permiten la aplicación de refuerzos mucho más ligeros que mediante acero, sin necesidad de apuntalamiento. Además, los materiales FRP de elevada durabilidad admiten una fácil reparación y mantenimiento, por adhesión de capas sucesivas. La facilidad de aplicación de los materiales FRP permite: solventar la problemática de solapes y soldaduras adaptación perfecta sobre soportes curvos facilidad de adhesión con existencia de instalaciones facilidad de cruce entre refuerzos (refuerzo de forjados bidireccionales) facilidad de trabajo en zonas de difícil acceso (p.e., forjados sanitarios o trabajos en altura) También, la no necesidad de apuntalamiento permite la instalación desde plataformas telescópicas ligeras generando las mínimas interferencias con los usos habituales de las instalaciones. Las principales ventajas económicas son principalmente producto del ahorro producido debido a la poca interferencia con los usos habituales de la estructura, en especial en corte de carreteras o vías férreas, demandando, en la actualidad, entorno al 90% de la demanda global. 5.2 Desventajas Las principales desventajas vienen motivadas por el elevado grado de exposición de estos refuerzos y su baja capacidad de respuesta frente condiciones de fuego, actos vandálicos y/o accidentes. La respuesta al fuego es limitada debido a la baja resistencia de los adhesivos empleados. De las propiedades intrínsecas del material, es importante destacar dos limitaciones: comportamiento completamente lineal hasta rotura y rotura frágil sin plastificación previa, provocando una pérdida de ductilidad global de la estructura orientación unidireccional e anisótropa, no admitiendo anclajes pasantes, basando la transmisión de 191

15 esfuerzos, de modo exclusivo, a mecanismos adherentes rasantes, a merced de la eficacia de los adhesivos, del soporte y de las condiciones de aplicación (existencia o no de polvo). En general, para refuerzos adheridos, no se admite un coeficiente de seguridad (para cargas sin mayorar y materiales sin minorar) inferior a 1. Es decir, sin la presencia del refuerzo (o ante un eventual fallo de éste) la estructura, con las cargas existentes, no puede colapsar. Esto es así porqué adicionalmente al fuego, una sucesión de accidentes (p.e., impacto de camión con volquete levantado arrancando el laminado adherido) pueden provocar la pérdida total o parcial del refuerzo existente. Por ahora, el coste del material puede suponer una desventaja. Para aplicaciones de fácil acceso y posibilidad de apuntalamiento (luz < 6m y altura < 3 m) las soluciones tradicionales pueden ser mas competitivas. Esto es así en estas condiciones, aunque en la valoración global del refuerzo y con la aparición de otros condicionantes rápidamente queda compensado. La falta de experiencia a largo plazo, y la falta de un marco normativo comúnmente aceptado puede suponer, por ahora, un freno en su desarrollo. Asimismo, el trabajo conjunto de diversos comités, integrados en instituciones independientes debe aportar las recomendaciones y limitaciones precisas. 6. REFERENCIAS [1] J.R. Casas, "Experimental study on the repair and strengthening of existing concrete bridges by CFRP sheets and external prestressing", Proc. Intnl. Conf. on Current and Future Trends in Bridge Design, Construction and Maintenance, Singapore, (1999). [2] L.F.P. Juvandes, Strengthening and rehabilitation of concrete structures with composite materials of CFRP, Doctoral thesis, University of Porto, Faculty of Engineering, Porto, Portugal (1999). [3] M. Arduini y A. Nanni, "Parametric study of beams with externally bonded FRP reinforcement", ACI Struct. J., 94, (1997). Agradecimientos Los autores quieren mostrar su agradecimiento por el soporte recibido a través de los proyectos de investigación TAP C03-01 y PB de la CICYT. C. Aire agradece a la Universidad Nacional Autónoma de México la beca recibida para realizar sus estudios de doctorado en la UPC. 192

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