ANALISIS EXPERIMENTAL DE VIGAS DE HORMIGÓN ARMADO REPARADAS CON MATERIALES COMPUESTOS

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1 ANALISIS EXPERIMENTAL DE VIGAS DE HORMIGÓN ARMADO REPARADAS CON MATERIALES COMPUESTOS Fotografia Autor 1 30 mm x 40 mm Fotografia Autor 1 30 mm x 40 mm V. C. ROUGIER M. R. ESCALANTE Prof. Eng.ª Civil Prof. Eng.ª Civil FRCU, UTN FRCU, UTN Concepción del Uruguay; Argentina C. del Uruguay; Argentina rougierv@frcu.utn.edu.ar mrescalante@frcu.utn.edu.ar RESUMEN El refuerzo y/o rehabilitación de estructuras de hormigón armado con polímeros reforzados con fibras (PRF) se ha convertido en una alternativa interesante para la industria de la construcción. La rehabilitación de estas estructuras puede hacerse mediante el refuerzo o la reparación de los elementos estructurales dañados. El refuerzo externo de vigas de hormigón armado con PRF ha dado buen resultado en lo que respecta a incrementos de la capacidad resistente a flexión y a corte. En este trabajo se presentan resultados experimentales del comportamiento a flexión de vigas de hormigón armado dañadas y reparadas con barras de polímeros reforzados con fibras de vidrio y láminas de polímeros reforzados con fibras de carbono. Se analizan diagramas carga-desplazamiento, cargas últimas, modos de falla y efectos de la resistencia a compresión del hormigón. 1. INTRODUCCIÓN Durante su vida útil, las estructuras de hormigón armado pueden resultar expuestas a cargas mecánicas como así también a agentes químicos o térmicos agresivos que produzcan la degradación de sus propiedades mecánicas y la consiguiente pérdida de seguridad estructural. En consecuencia y a los efectos de preservar las condiciones de serviciabilidad se hace necesario la reparación y/o refuerzo. La tendencia actual es establecer un sistema de reparación eficiente y económicamente accesible que facilite la mejora de estructuras nuevas y antiguas y elimine la necesidad de utilizar técnicas demasiado costosas y extensas en el tiempo, o en muchos casos, la demolición total de la estructura. Los polímeros reforzados con fibras (PRFs) o materiales compuestos constituyen un tipo de material compuesto avanzado con el potencial de cambiar significativamente el comportamiento de estructuras de hormigón, luego de reforzadas y/o rehabilitadas. El éxito de dichos materiales, se encuentra en su alta resistencia a la tracción en la dirección de las fibras, además de su buen comportamiento a la corrosión, fatiga y baja densidad. Las fibras comúnmente usadas incluyen E-Glass (fibra de vidrio), Kevlar/Aramida y Carbono, las cuales pueden ser preimpregnadas en matrices, alineadas unidireccionalmente en hojas laminadas, barras o bien tejidas bidireccionalmente. [1] Cuando los PRFs se usan como refuerzo externo de vigas de hormigón armado y si se elige la configuración adecuada, mejoran la capacidad resistente a corte y flexión de dichos elementos [2], [3], [4], [5], [6]. 1

2 La técnica de refuerzo a flexión con PRFs consiste generalmente en adherir placas o láminas de material compuesto a la cara traccionada del hormigón. Alternativamente, existe otra técnica llamada NSM, por sus siglas en inglés (Near Surface Mounted), que consiste en colocar barras de PRF en orificios previamente aserrados en el recubrimiento de hormigón [7], [8], [9], [10], [11]. En la Figura 1 se muestra un esquema de dicha técnica de refuerzo. Resultados experimentales, analíticos y numéricos obtenidos en los últimos años, han demostrado la efectividad de esta técnica en lo que respecta a incrementos de la resistencia a flexión y corte de vigas de hormigón armado. De todos modos las guías de diseño existente enfatizan la necesidad de continuar realizando más investigaciones. Con respecto a los sistemas tradicionales de refuerzo externo con laminas o tejido de FRP, el refuerzo con barras de PRF, tiene las siguientes ventajas, a saber: (1) mejor adherencia a la superficie de hormigón, pues las barras quedan completamente embebidas en el adhesivo y, (2) el refuerzo queda protegido por el recubrimiento de hormigón y menos expuesto a daños accidentales. Los principales factores que pueden afectar el comportamiento de esta técnica son la interacción entre la barra de refuerzo y el material de llenado, la adherencia entre dicho material y la superficie del hormigón, el tamaño del orificio donde se coloca la barra así como también su distancia desde los extremos de la viga. Por ello resulta necesario continuar investigando dichos aspectos de la técnica NSM así como también modos de falla y cargas últimas. En este trabajo se presentan los resultados experimentales de ensayos realizados en vigas de hormigón armado, dañadas y luego reparadas con barras de polímeros reforzados con fibras de vidrio. El estudio se centra en el comportamiento a flexión de dichas vigas en términos de diagramas carga-desplazamiento, modos de falla, capacidad resistente y patrón de fisuración. En primer lugar se describe el programa experimental desarrollado, los ensayos realizados y sus resultados. Luego se comparan dichos resultados con los obtenidos en vigas dañadas y reparadas con láminas de polímeros reforzados con fibra de carbono, así como también la influencia de la resistencia a compresión del hormigón. Barra de PRF orificio Resina epoxy 2. PROGRAMA EXPERIMENTAL 2.1 Introducción Figura 1: Esquema de refuerzo con barras de PRF (NSM) El programa experimental que se presenta en este trabajo forma parte de un proyecto de investigación en desarrollo. A continuación se detallan los especímenes ensayados, características de los materiales y procedimiento de ensayo e instrumentación. 2.2 Descripción de los especímenes ensayados El programa experimental se llevó a cabo mediante ensayos de flexión en vigas prismáticas sobre las cuales se aplicaron cargas puntuales en los tercios de la luz. Se elaboraron 20 probetas de sección rectangular de: 80 mm x 160 mm y 1100 mm de longitud. A los efectos de evaluar la influencia de la resistencia a compresión del hormigón, 6 vigas fueron elaboradas con un hormigón de resistencia caracaterística de rotura a compresión f c = 30 MPa y y las restantes con un H20. Hasta la fecha de presentación del presente trabajo se ensayaron 13 vigas, cuatro denominadas de referencia o control y las restantes dañadas y reparadas con dos tipos de PRF. Las vigas de referencia se ensayaron hasta rotura, en tanto las restantes se dañaron hasta aproximadamente un 75 % de la carga de falla de las vigas de referencia, se repararon y se volvieron a ensayar hasta la falla. Se adoptó para todas las vigas la misma armadura longitudinal y transversal: barras φ del 8 mm para la armadura de tracción, barras φ del 6 para la armadura constructiva, y estribos φ del 4.2 cada 75 mm como armadura a corte. En la Figura 2 se muestran los detalles de armadura y sección de las vigas 2

3 y en la Tabla 1 se resumen la denominación y características de los especímenes ensayados hasta el momento. Las 6 primeras vigas se elaboraron con un hormigón de resistencia característica a los 28 días de 30 MPa y las restantes con un hormigón clase H20. Figura 2: Detalle de viga de hormigón Tabla 1 Detalle de vigas ensayadas con su denominación y características Denominación f c (MPa) E (MPa) Características V1 30 Viga no reparada- Control V2 30 Viga no reparada- Control V3 30 Viga dañada y reparada con láminas de PRFC V4 30 Viga dañada y reparada con láminas de PRFC V5 30 Viga dañada y reparada con barras de PRFV V6 30 Viga dañada y reparada con barras de PRFV V7 20 Viga no reparada- Control V8 20 Viga no reparada- Control V9 20 Viga dañada y reparada con láminas de PRFC V Viga dañada y reparada con láminas de PRFC V11 20 Viga dañada y reparada con barras de PRFV V12 20 Viga dañada y reparada con barras de PRFV V13 20 Viga dañada y reparada con barras de PRFV 2.3 Características de los materiales 1000 mm 1100 mm En la ejecución de las vigas se utilizaron dos tipos de hormigón que se dosificaron de acuerdo al reglamento CIRSOC [12], en función de obtener una resistencia característica de rotura a compresión a los 28 días de 30 MPa y 20 MPa. Se trabajó con agregados de la zona y cemento Portland normal. Las características mecánicas del hormigón se determinaron mediante ensayos de compresión uniaxial sobre probetas cilíndricas de 150 mm x 300 mm, según norma IRAM 1534 [13]. Se obtuvo una resistencia media a compresión del hormigón a los 28 días de MPa y MPa. Para la armadura principal y la constructiva se empleó acero de Dureza Natural Acindar denominado comercialmente DN A-42. Para los estribos se usó acero tipo T 500 de diámetro nominal 4.2 mm. El refuerzo externo de las vigas se realizó con barras de fibra de vidrio y láminas de polímeros reforzados con fibra de carbono (PRFC). En la Figura 3 se muestra el proceso de reparación. En el caso de la reparación con barras de fibra de vidrio, su usaron barras nervuradas de 12mm de diámetro (Figura 3a y c). En la cara traccionada de cada viga, en un orificio previamente aserrado (20 mm x 20 mm), se colocó una barra. Las dimensiones del orificio, se determinaron siguiendo las recomendaciones de la Norma ACI 440.1R-06 [7]. El orificio se rellenó hasta la mitad de la altura con resina epoxi, se posicionó la barra y se completó con la misma resina hasta cubrir totalmente la el orificio. Se debe destacar que la operación de aserrado del orificio es laboriosa y debe realizarse con sumo cuidado. La técnica de reparación con platinas de fibra de carbono se llevó a cabo aplicando una lámina de 50 mm de ancho, 100 mm de largo 3

4 y 1.2 mm de espesor en la cara traccionada de la viga. En la Figura 3b se muestra el esquema de reparación y las dimensiones. Antes de la colocación del material de reparación, las superficies de los especímenes fueron cuidadosamente pulidas con cepillo de cerdas de acero a los efectos de eliminar incrustaciones de mortero y suciedades. Finalmente y para dejarlas perfectamente limpias, se aplicó aire comprimido. En la Tabla 2 se muestran las propiedades mecánicas del adhesivo epoxi, de las barras de fibra de vidrio y de la lámina de PRFC, datos suministrados por los fabricantes mm 1100 mm a) b) c) Figura 3: Tipos de reparación. a) Reparación con barras de fibra de vidrio; b) Reparación con láminas de PRFC; c) Fotografia de barra de PRFV y lámina de PRFC Tabla 2 Propiedades Mecánicas del material de reparación Propiedades Resina Barras de Fibra Lámina de epoxy de Vidrio PRFC Módulo de Elasticidad longitudinal (MPa) Resistencia a compresión (MPa) Resistencia longitudinal a tracción (MPa) Deformación específica longitudinal [%] Procedimiento de ensayo e instrumentación Todos los ensayos realizados consistieron en la aplicación de cargas cuasi estáticas monótonas crecientes en los tercios de la luz. Se adoptó una velocidad de carga de 1.5 mm/min. Se midieron cargas y desplazamientos del punto medio de las probetas. La carga fue aplicada usando una prensa Shimatzu con sistema hidráulico y posibilidad de desarrollar una carga vertical nominal máxima de 1000 kn. Para la medición de los desplazamientos se utilizó un reloj comparador (flexímetro) con una sensibilidad de 0.001mm. En la Figura 4 se presenta el esquema de ensayo e instrumentación utilizado. En general, el instrumental de medición fue retirado antes de alcanzar la carga máxima por seguridad del mismo. Celda de carga Viga de distribución de carga Extensómetro mecánico Figura 4: Ensayo de flexión. Esquema de ensayo e instrumentación 4

5 3. RESULTADOS EXPERIMENTALES A continuación se presentan los resultados obtenidos experimentalmente. Se analizan cargas y modos de falla de las vigas dañadas y reparadas barras de fibra de vidrio y la comparación con el sistema de reparación con láminas de PRFC Se muestran también los diagramas carga-desplazamiento. 3.1 Cargas de rotura y modos de falla En la Tabla 3 se presentan los valores de carga máxima, el porcentaje de recuperación de resistencia debido a la reparación con los PRF y los modos de falla. La comparación de recuperación de resistencia de las vigas reparadas se realizó con los valores promedio de resistencia máxima de las vigas de control o referencia, es decir V1 y V2 para el hormigón H30 y V7 y V8 para el hormigón clase H20. Todas las vigas de referencia, independientemente de la resistencia a compresión del hormigón, fallaron por aplastamiento del hormigón en la zona comprimida, con fluencia de la armadura de acero. En las vigas reparadas con láminas de PRFC, para el hormigón clase H30, la falla se produjo por el despegue del laminado que comenzó en la mitad de la luz (Figura 5). Este mecanismo de rotura conocido con el nombre de Intermediate crak induced interfacial debonding, se produjo debido a las altas tensiones interfaciales entre el refuerzo y el hormigón en las cercanías de la fisura. Con el incremento de la carga aplicada, las tensiones de tracción en el PRFC y las tensiones interfaciales entre el hormigón y aquél en la proximidad de la fisura, también aumentaron. Cuando estas tensiones alcanzaron valores críticos, se inició el despegue del refuerzo en la fisura y se propagó hacia uno de los extremos del mismo, produciéndose una rotura frágil y repentina. Este tipo de falla probablemente se debió a una mala adherencia entre el la resina epoxi y la superficie del hormigón, producto de una limpieza y pulido deficiente de dicha superficie. En el caso de la viga V3, se logró recuperar la resistencia original, y además se la superó en un 4 % aproximadamente. La viga V4 en cambio, falló repentinamente sin siquiera recuperar la capacidad portante alcanzada por las vigas de referencia. Los especímenes V9 y V10, con el mismo tipo de refuerzo, platinas de PRFC, pero con una resistencia a compresión del hormigón más baja, tuvieron un comportamiento muy diferente, tanto en lo que respecta a resistencia como a modo de falla. Se observó una recuperación de resistencia inicial, con respecto a la resistencia promedio de las vigas de referencia, V7 y V8, y un incremento del 41 % y 39 %, para V8 y V9, respectivamente. La rotura se produjo en ambos especímenes, por desprendimiento del recubrimiento de hormigón (Figura 5) como consecuencia de la concentración de tensiones cerca de los extremos de la placa de refuerzo. Una vez formada la fisura en o cerca del extremo final del refuerzo, se propagó hasta el nivel de la armadura de acero y luego progresó horizontalmente a lo largo de dicho refuerzo, provocando la separación del recubrimiento de hormigón. Las vigas reparadas con barras de PRFV, recuperaron y superaron significativamente a resistencia original, independientemente de la clase de hormigón. En general tuvieron el mismo tipo de falla. En la viga V5, la rotura se produjo por compresión del hormigón con una marcada fisuración en la zona del apoyo izquierdo. En la viga V6, la rotura fue provocada por una falla en el apoyo. Esto se debió a que al practicarse el aserrado del orificio, donde se colocó luego la barra de reparación, se dañó accidentalmente la zona de dicho apoyo. En ningún caso se despegó el refuerzo, además se recuperó la capacidad resistente inicial y se lograron incrementos de carga última del 48% y del 42 % aproximadamente. Las vigas V12 y V13 registraron el mismo tipo de falla que la viga V5 y se logró en todos los casos, un porcentaje importante de recuperación de resistencia, Tabla 3. El espécimen V11 registró un tipo de rotura similar a las vigas V8 y V9, es decir, despegue del recubrimiento de hormigón que se inició en uno de los apoyos. En la Figura 7, donde se representan las curvas carga-desplazamiento de las vigas, para una resistencia a compresión del hormigón a los 28 días de 20 MPa, se puede ver el comportamiento menos dúctil de la viga V11 con respecto a su igual, V12, aún cuando el valor de carga máxima es similar. Según se desprende de la Tabla 3, la resistencia a compresión del hormigón no tuvo influencia en la capacidad resistente de los especímenes. Con respecto al tipo de reparación, las barras de PRFV mostraron un mejor comportamiento en cuanto a valores de carga máxima y tipo de falla. Se logró una mejor adherencia a la superficie de hormigón, por ello en ningún caso se produjo el despegue o desprendimiento de la barra de refuerzo. Sin embargo esta técnica de reparación fue laboriosa, pues el aserrado del orificio donde se colocó la barra de PRFV, debió ejecutarse con extremo cuidado y precisión. Las láminas de PRFC resultaron muy eficientes en la recuperación de resistencia, pero sólo en aquellos casos en que no se produjo el despegue del laminado. La adherencia entre el material de refuerzo y la superficie del hormigón, para este tipo de reparación, fue más difícil de garantizar. Como contrapartida, la técnica resultó más sencilla y rápida de ejecutar. En la Figura 5 se muestra el tipo de falla de una viga de referencia, V2, de las vigas reparadas con láminas de PRFC, V4 y V9 y de la viga V5, reparadas con barras de fibra de vidrio. 5

6 Tabla 3 Resultados experimentales Viga P máx (kn) % de Recuparación de resistencia Modos de Falla V Rotura por compresión V Rotura por compresión P Promedio V1 y V2 = H30 V Despegue del laminado V Despegue del laminado V Rotura por compresión V Falla en el apoyo V Rotura por compresión V Rotura por compresión P Promedio V7 y V8 = H20 V Desprendimiento de la capa de recubrimiento de hormigón V Desprendimiento de la capa de recubrimiento de hormigón V Rotura por compresión V Rotura por compresión V Rotura por compresión V2-Referencia V4-Reparación con PRFC Falla por compresión Propagación del despegue hacia uno de los apoyos V9-Reparación con PRFC Fisuras de flexión V5-Reparación con PRFV Figura 5: Modos de falla de vigas de referencia y vigas reparadas 6

7 3.2 Diagramas Carga-Desplazamiento Teniendo en cuenta los resultados obtenidos en los ensayos en las vigas de hormigón armado y los ensayos sobre estos mismos elementos luego de reparados, se puede realizar una comparación de estos casos, mediante el análisis de los gráficos obtenidos de carga versus deformación, para las vigas ensayadas. Las curvas carga-desplazamiento de las vigas V2, V3, V4 y V6 se muestran en las Figuras 6 y en la Figura 7 se representan los gráficos de los especimenes V7 a V12. Las curvas correspondientes a las vigas V5 y V13 no se muestran, pues problemas en el sistema de medición de los desplazamientos, impidieron completar el registro de aquéllos. Se debe recordar que las primeras se elaboraron con un hormigón H30 y las últimas con un H20. Según se puede ver en las Figuras 6 y 7, las vigas de hormigón armado sin refuerzo externo, denominadas de referencia, resisten mayor deformación pero menor carga hasta llegar al punto de rotura. En contrapartida, las vigas dañadas, y luego reparadas resisten mayor carga y sus deformaciones son menores. Los PRF, barras o láminas, aumentan la capacidad resistente y rigidez de las vigas. El comportamiento mecánico de las vigas reparadas cambia de elastoplástico a prácticamente elástico. Figura 6: Curvas carga deformación, f c28 = 30 MPa Figura 7: Curvas carga deformación, f c28 = 20 MPa 7

8 4. CONCLUSIONES En este trabajo se han presentado resultados de ensayos de flexión de vigas de hormigón armado dañadas y luego reparadas con dos sistemas de refuerzo, barras de PRFV y láminas de PRFC, analizándose tambien la influencia de la resistencia a compresión de hormigón. Aún cuando es necesaria la ejecución de un mayor número de ensayos, del análisis y la comparación de dichos resultados se puede decir lo siguiente: Las vigas reparadas cumplieron con los objetivos propuestos, pues además de recuperar y superar las propiedades mecánicas de resistencia de las vigas de referencia, aumentaron de forma notable su capacidad de carga. La reparación con láminas de PRFC, en general, no fue eficiente en la reparación de vigas dañadas. Ello se debió al tipo de falla frágil causado por el despegue del laminado que apenas permitió recuperar la capacidad portante de la viga dañada, en un caso (V3), mientras que en el otro (V4) la falla se produjo prematuramente a una carga muy baja. Por el contrario, el refuerzo con barras de fibras de vidrio, en todas las vigas dañadas, recuperó y superó significativamente la capacidada portante original. Sin embargo esta técnica de refuerzo y/o reparación fue laboriosa y se debió realizar con extremo cuidado. La técnica de refuerzo y/o reparación con láminas de PRFC resultó más rápida y sencilla de ejecutar. El incremento en la rigidez de las vigas reparadas, se debió solo al aporte de los PRF, es decir no tuvo influencia la resistencia a compresión del homigón. 5. AGRADECIMENTOS Los autores agradecen a la Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional C. del Uruguay (FRCU), por el apoyo económico brindado para la realización del trabajo, a los Ingenieros Guillermo y Eduardo Bevilaqua por su valioso aporte y asesoramiento en las tareas de dosificación y elaboración del hormigón, al jefe de laboratorio de Ingeniería Civil de la FRCU, Ingeniero Civil Ricardo Gómez, por su colaboración en la puesta a punto y realización de los ensayos. 6. REFERENCIAS [1] Alarcón López A., Estudio Téorico-Experimental sobre la Reparación y Refuerzo de Puentes de Dovelas con Fibra de Carbono, Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Cataluña, 2002, Barcelona, España. [2] Shahawy M.; Beitelman T., Static and fatigue performance of RC beams strengthened with CFRP laminates, Journal of Structural Engineering, Vol.125, 1999, p [3] Teng, J. et al, Intermediate crack-induced debonding in RC beams and slabs, Construction and Building Materials, Vol.17,2003, p [4] Wang Y.; Chen C., Analytical study on reinforced concrete beams strengthened for flexure and shear with composite plates, Composite Structures, Vol. 59, 2003, p [5] Rougier V., Luccioni B., Numerical assesment of FRP retrofitting systems for reinforced concrete elements, Engineering Structures,Vol. 29, 2007, p [6] American Concrete Institute, Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures, ACI 440.2R-08, [7] American Concrete Institute., Guide for the design and construction of structural concrete reinforced wiht FRP bars, ACI 440.1R-06, [8] Badawi, M.; Soudki, K., Flexural strengthening of RC beams with prestressed NSM CFRProds Experimental and analytical investigation, Construction and Building Materials, Vol.23, 2009, p [9] Kothandaraman, S.; Vasudevan G., Flexural retrofitting of RC beams using external bars at soffit level An experimental study, Construction and Building Materials, Vol. 24, 2010, p [10] Al-Mahmoud, F. et al, Anchorage and tension-stiffening effect between near-surface-mounted CFRP rods and concrete, Cement & Concrete Composites, Vol. 33, 2011, p [11] Kotynia, R., Bond between FRP and concrete in reinforced concrete beams strengthened with near surface mounted and externally bonded reinforcement, Construction and Building Materials, Vol. 32, 2012, p [12] Cirsoc Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón, (2005). [13] Instituto Argentino de Racionalización de Materiales. (1985). Hormigón de cemento Portland. Preparación y curado de probetas para ensayos en laboratorio. IRAM