CONSIDERACIONES ACERCA DEL EMPLEO DE LÁMINAS DE FIBRAS DE CARBONO APLICADAS AL CAMPO DE LAS ESTRUCTURAS

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1 CONSIDERACIONES ACERCA DEL EMPLEO DE LÁMINAS DE FIBRAS DE CARBONO APLICADAS AL CAMPO DE LAS ESTRUCTURAS MARTA MOLINA 1, JOSE PEDRO GUTIERREZ 2, CECILIO LÓPEZ 3 1. Dr. Arquitecto. CESUGA, University College Dublin. Bachelor of Architecture. c/ Feans 152, La coruña España. Tfno: (+34) Fax (+34) , mmolina@cesuga.com 2. Dr. Ingeniero de Caminos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC, c/ Serrano Galvache 4, Madrid España. 3. Ingeniero de Caminos. Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, CSIC, c/ Serrano Galvache 4, Madrid España. RESUMEN Las estructuras de hormigón pueden presentar diversas patologías por errores de proyecto, fallos de ejecución, baja calidad de los materiales, incrementos de cargas, falta de mantenimiento, etc. haciendo necesarias intervenciones de reparación y refuerzo para garantizar un comportamiento adecuado. Uno de los métodos posibles es el refuerzo mediante la aplicación de bandas de materiales compuestos. En el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja se ha desarrollado un programa experimental con el objeto de analizar el refuerzo y reparación de estructuras de hormigón armado deterioradas reforzadas a flexión. Se realizan tres tipos de ensayos de comparación: viga patrón sin reforzar con deficiente armadura de tracción, viga reforzada con deficiente armadura de tracción sin deterioro previo, y viga con deficiente armadura de tracción, deteriorada hasta el 90% de la carga última teórica y reforzada. En este caso se han empleado bandas de polímeros reforzados con fibras de carbono (CFRP) pegadas mediante resina epoxy, método de fácil aplicación en este tipo de estructuras. Las principales conclusiones son el incremento notable de capacidad portante y mejora a flexión de vigas deterioradas y reforzadas mediante bandas adheridas de CFRP sobre la superficie. INTRODUCCIÓN Las estructuras de hormigón armado presentan frecuentemente ciertas patologías debidas a errores de proyecto, defectos de ejecución, baja calidad de materiales, cambios de uso, falta de mantenimiento, etc. que suponen un incremento de carga útil en la estructura. En la mayoría de los casos es necesario realizar intervenciones de reparación y refuerzo. Uno de los posibles métodos es 1

2 el refuerzo exterior mediante el empleo de bandas de materiales compuestos, que consiste en añadir al elemento estructural una especie de platabanda para soportar los esfuerzos de tracción. Se ha demostrado, sobre todo en las últimas investigaciones, que un refuerzo estructural de este tipo, con una aplicación adecuada mejora sustancialmente el comportamiento resistente de los elementos y que constituye una buena técnica de reparación. Los materiales compuestos avanzados se están empleando en los últimos años cada vez más para el refuerzo estructural, la reparación y la rehabilitación de estructuras. Sobre todo los polímeros reforzados con fibras (FRP) ya que presentan unas propiedades muy adecuadas para su aplicación estructural en especial por su elevada resistencia a la tracción y su ligereza. Para el desarrollo de este programa de ensayos se han empleado polímeros reforzados con fibras de carbono ya que presentan buena resistencia a la corrosión y a la fatiga, así como mayor rigidez. ESTUDIO EXPERIMENTAL El objeto del programa experimental es determinar el comportamiento de vigas dañadas reforzadas a flexión mediante encolado de láminas de CFRP en la zona inferior en sentido longitudinal según las tensiones principales de tracción. Para ello se ha diseñado un programa experimental formado por vigas patrón sin deterioro y vigas deterioradas. En todos los casos los elementos de hormigón armado no tienen suficiente armadura longitudinal de tracción para analizar la efectividad del refuerzo a flexión. Se realizan tres ensayos de comparación: a) viga patrón sin reforzar con deficiente armadura de tracción, viga V1, b) viga reforzada con deficiente armadura de tracción sin deterioro previo, viga V2 y c), viga con deficiente armadura de tracción, deteriorada hasta el 90% de la carga última teórica y reforzada, viga V3. En la Figura 1 se esquematiza el alzado de la viga tipo del programa experimental. Las vigas tienen unas dimensiones de 15 x 25 x 300 cm y una luz de 260 cm. Figura 1. Alzado de Vigas. La primera viga V1 sirve de referencia, en la viga V2 se ensaya la eficacia del refuerzo en vigas sin deteriorar, y en la viga V3 con deterioro para simular el estado real de estructuras que requieren de una intervención. El hormigón empleado se fabricó en el IETcc. Se han obtenido tres probetas cilíndricas de 15 x 30 cm que se han mantenido a una temperatura constante de 20 ± 2 ºC y a una humedad relativa del ± 5 % con una resistencia media a compresión a los 28 días de 36,10 Mpa (Figura 2). En la Figura 3 se aprecia una de las vigas hormigonadas. 2

3 Figura 2. Probetas cilíndricas de 15 x 30 cm. Figura 3. Viga hormigonada. 3

4 La compactación se realizó mediante vibrador de aguja y la posición de las barras principales en horizontal respecto al hormigonado. La armadura empleada es del tipo B500S, armadura longitudinal 4ø8, y cercos ø6. El armado de tracción en todos los casos es insuficiente con el objeto de comprobar la eficacia del refuerzo. El refuerzo exterior consiste en bandas de fibra de carbono SIKA Carbodur S512 de espesor 1,2 mm, ancho 50 mm, resistencia a tracción > N/mm 2 y módulo de elasticidad N/mm 2. Esquema de ensayo e instrumentación La distancia entre apoyos de la viga es de 2,60 m. Para la aplicación de la carga se coloca un perfil metálico de reparto tipo IPE colocado bajo el gato hidráulico y apoyado simétricamente en la viga, mediante dos rodillos metálicos y pletinas a una distancia entre ellos igual a un tercio de la longitud de la viga (Figura 4). Las vigas se someten a un proceso de carga escalonado donde se mide la evolución de fisuras. En todas las vigas se registra automáticamente; la flecha en el centro del vano para cargas de servicio con un flexímetro de precisión una centésima de milímetro y una frecuencia de dos lecturas por segundo, las deformaciones longitudinales del refuerzo mediante 6 bandas extensométricas (vigas V2 y V3), la deformación de la sección central de hormigón mediante tres bandas extensométricas en las caras laterales y por último, la carga de rotura. En la Figura 5 se presenta la sección central de la viga. Q Perfil de reparto Gato hidraúlico Punto de aplicación de la carga L/3 =0,86 m Flexímetro Base Apoyo Figura 4. Dispositivo de ensayo La carga aplicada se mide con un captador de presión colocado en la cabeza del gato hidráulico y su lectura es recogida dos veces por segundo. Al estar las vigas apoyadas sobre neopreno se disponen dos flexímetros en la parte superior encima de los apoyos para restar la lectura a la del centro de la luz ya que indican el asiento de los apoyos por la reacomodación de la viga. Las fases del programa experimental han sido en primer lugar, el diseño y hormigonado de vigas, en segundo lugar simular el deterioro en una de las vigas mediante la aplicación de carga hasta el 90% de la carga última teórica. Para conocer el efecto real del refuerzo y su relación con el deterioro previo de las vigas antes de su reparación se han registrado todos los posibles daños, como el mapa de fisuras, deformación, etc. En la Figura 6 se presenta además la gráfica carga-desplazamiento obtenida, correspondiente a la viga prefisurada. 4

5 Figura 5. Fotografía de la sección central de la viga Carga aplicada Q [kn] Figura 6. Mapa de fisuras y carga vs desplazamiento, viga V3. Flecha [mm] A continuación se aplicó el refuerzo en las vigas V2 y en la viga V3 previamente dañada (Figura 7). En esta fase se realiza la limpieza, preimpregnación y pegado de las bandas según las recomendaciones de manuales técnicos de fabricantes (Figuras 8 y 9). Se colocan dispositivos de medida de las deformaciones en el refuerzo, seis bandas extensométricas (b 1 -b 6 ) separadas aproximadamente 25 cm entre sí a partir del centro y tres bandas en la sección central. Por último, se ensayan a flexión las vigas V1, V2 y V3 (patrón, viga reforzada y viga deteriorada y reforzada). 5

6 Figura 7. Viga previamente dañada. Figuras 8. Preparación de la superficie de la viga. 6

7 Figura 9. Preparación de la superficie de la viga para la aplicación del refuerzo. RESULTADOS OBTENIDOS En general el comportamiento observado en las vigas es similar al descrito por otros autores. En la siguiente tabla se presentan los resultados obtenidos, carga última Q últ, momento flector último M últ y flecha en el centro del vano para el 50%. Tabla 1. Resultados experimentales Carga última Q últ [kn] Momento último M últ [knm] Flecha para el 50% Q últ δ 50 [mm] Viga 1 51,2 22,1 5,49 Viga 2 84,0 36,4 8,93 Viga 3 83,0 35,9 7,58 7

8 Las curvas carga-desplazamiento obtenidas se presentan en la Figura 10. En el eje de abcisas la flecha en el centro del vano y en el eje de ordenadas la carga total aplicada V2 Carga total aplicada Q [Kp] (V3) V1 Viga Patrón V2 Viga Reforzada V3 V1 500 (V3) Viga Deteriorada (primer proceso de carga) V3 Viga Deteriorada y Reforzada 0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 Flecha en el centro del vano [mm] Figura 10. Relación carga- desplazamiento en vigas: Viga V1 patrón, Viga V2 reforzada y Viga V3 prefisurada y reforzada. ANÁLISIS DE RESULTADOS En la viga patrón, V1, la carga última fue de 51,2 kn. Esta carga es aproximadamente el 24% mayor que la carga teórica deducida para el momento último resistente de la sección de la viga. Este incremento puede quedar justificado en parte si se tiene en cuenta que la resistencia real de los aceros empleados es superior a la teórica que se considera en el cálculo. En la gráfica se observa un primer tramo de rigidez inicial, que disminuye cuando se alcanza la carga de primera fisuración de la viga. El momento de fisuración estimado para la viga ha sido de 5,1 kn m, que corresponde con una carga de 11,8 kn. En la viga reforzada sin existencia de daño previo, V2, la carga última fue de 84 kn. La platabanda de refuerzo no alcanza su tensión de rotura, se despega de la base inferior del hormigón sin llegar a romperse, por lo que no se alcanza la carga de rotura teórica estimada, mayor de 95 kn, para el caso de contar con unas condiciones de anclaje y de adherencia adecuadas. En la gráfica se observa un primer tramo de rigidez inicial similar a la de la viga patrón hasta que el elemento de hormigón empieza a fisurarse. En el segundo tramo la pieza tiene una rigidez mayor que el segundo tramo de la viga patrón, apreciándose la influencia del refuerzo. Cuando la armadura alcanza el límite elástico todo el incremento de la capacidad resistente es proporcionado por la platabanda de refuerzo. La viga V3 se ensayó previamente hasta un nivel de carga del 60% de la carga última antes de reforzarla. El comportamiento durante esta precarga, como se observa en la gráfica, es prácticamente el mismo que el de la viga patrón V1. En la descarga queda una deformación remanente de 1,86 mm. Durante el proceso de reparación y refuerzo se recuperó un poco de deformación, quedando una deformación inicial de 1,18 mm. En el ensayo de esta viga una vez reforzada se alcanzó una carga última de 84 kn, observándose en la gráfica un comportamiento prácticamente lineal desde el inicio de la carga. 8

9 Según los resultados obtenidos (Tabla 1 y Figura 10) el comportamiento de las vigas reforzadas, sin deterioro previo, viga V2, y con deteriorado previo, viga V3, es similar en cuanto a capacidad portante. Existe un mayor rigidez inicial en la viga sin deterioro previo y también se observó un comportamiento más dúctil, alcanzando una mayor deformación en rotura. El efecto del refuerzo resulta efectivo desde el inicio de aplicación de la carga. La carga última de las vigas reforzadas es un 64% mayor que la carga de rotura de la viga patrón. Se aprecia el efecto positivo del refuerzo a flexión en vigas que presentan una deficiente armadura de tracción o cierto deterioro. Figura 11. Fallo por desprendimiento de la lámina en la viga V2. Viga reforzada sin deterioro, V2 Viga deteriorada y reforzada, V Carga [kn] 80 b6 b5 b3 b2 b1 Carga [kn] 80 b6 b5 b4 b3 b Banda 1 Banda 2 20 Banda 3 10 Banda 5 Banda DEFORMACIONES x 10E6 Banda 2 30 Banda 3 20 Banda 4 Banda 5 10 Banda DEFORMACIONES x 10E6 b1 b2 b3 b4 b5 b6 Figura 12. Relación carga aplicada / deformación del refuerzo exterior en vigas V2 y V3. En el caso de los elementos con refuerzo exterior de CFRP (vigas V2 y V3) el fallo que se produce es por desprendimiento del laminado en la zona de anclaje del refuerzo antes del agotamiento de la sección más solicitada. En la Figura 11 se aprecia este tipo de fallo y los áridos adheridos a la banda de refuerzo. Según varios autores en la mayoría de los casos de refuerzos en vigas la rotura está asociada al desprendimiento de la lámina, sobre todo en elementos de hormigón armado ya que aparecen fisuras de flexión o cortante que tienden a abrirse a medida que aumenta la carga por lo que se generan desplazamientos y tensiones que producen el desprendimiento. Según los resultados obtenidos y las investigaciones de otros autores puede decirse que es fundamental realizar una buena 9

10 preparación y ejecución del refuerzo, ya que uno de los principales fallos es debido a un problema de adhesión entre el refuerzo y el sustrato, y el que origina que no sea más efectivo el refuerzo. En la Figura 12 se presenta la relación entre la carga aplicada y la deformación del refuerzo obtenido de la lectura de las bandas extensométricas. En general puede decirse que el comportamiento del laminado de CFRP ha resultado adecuado como refuerzo estructural a flexión en elementos de hormigón armado. CONCLUSIONES PRINCIPALES El empleo de materiales compuestos de CFRP como refuerzo a flexión de estructuras de hormigón armado puede ser una técnica muy eficaz sobre todo planteando una alternativa a los métodos tradicionales de reparación, siempre que esté garantizada una correcta aplicación. Las principales conclusiones de este trabajo son el incremento notable de capacidad portante y la mejora a flexión en vigas deterioradas y reforzadas exteriormente con bandas encoladas de CFRP. Se produce una mejora sustancial con el refuerzo de bandas adheridas de CFRP en elementos a flexion, en su capacidad portante. En la actualidad una técnica muy interesante a tener en cuenta en intervenciones en estructuras antiguas o de cierto valor histórico. Como recomendación se propone prestar especial interés al proceso de aplicación para garantizar una perfecta adherencia entre la lámina de refuerzo y el elemento, así como tener en cuenta las longitudes de anclaje. 10

11 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bakis C.E. (2002). Fiber -Reinforced polymer composites for construction- State-of-the-art review. Journal of Composites for Construction, 6 (2): pp Bizindavyi L., Neale K.W. (1999). Transfer lengths and bond strengths for composites bonded to concrete. Journal of composites for construction, ASCE, 3 (4): Fédération Internationale du Béton, fib. (2001). bulletin 14, Externally bonded FRP reinforcement for RC structures - Technical report on the design and use of externally bonded fibre reinforced polymer reinforcement for reinforced concrete structures. Ed: fib, Lausane, Suiza: Hussain, M., Sharif,A., Basunbul I.A., Baluch M.H., Al-Sulaimani, G. J. (1995). Flexural behavior of precracked reinforced concrete beams strengthened externally by steel plates. ACI Structural Journal, 92 (1): pp Miravete, A.(1994). Los nuevos materiales en la construcción. Ed: A. Miravete, Zaragoza, España: Nanni, A. (1993). Flexural behaviour and design of RC members using FRP reinforcement. Journal of structural engineering, 19 (11): ASCE. (2002). Composites in construction, a reality. Proceedings of the international workshop Ed. E. Cosenza. Capri, Italia. ACI 440.2R-02. (2002). Guide for the design and construction of externally bonded FRP Systems for strengthening concrete structures. American Concrete Institute. USA Maeda T, Asano Y, Sato Y., Ueda T. Kakuta Y. (1997). A study on bond mechanism of carbon fiber sheet. Proceedings of the 3rd International symposium on non-metallic (FRP) reinforcement for concrete structures, Japan Concrete Institute, Sapporo: Täljsten, B. (1997). Strengthening of beams by plate bonding. Journal of Materials in Civil Engineering ASCE 9(4): Toutanji, H., Saxena, P., Zhao,L., Ooi,T. (2007). Prediction of interfacial bond failure of FRP Concrete Surface. Journal of composites for Construction, 11 (4): Van Den Einde, L., Zhao L., Seible F. (2003). Use of FRP composites in civil structural applications. Construction and Building Materials, 17: