Vigas De Concreto Con Fibras De Carbono

COMPORTAMIENTO DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO REFORZADAS

CON FIBRAS DE CARBONO (CFRP)

Ricardo PROAÑO

(CISMID – Facultad de Ingeniería Civil - Universidad Nacional de Ingeniería)

RESUMEN

En respuesta a la creciente necesidad de reparar o rehabilitar estructuras de concreto

reforzado, han surgido nuevas tecnologías de reforzamiento estructural entre las cuales los

polímeros reforzados con fibras de carbono de alta resistencia (CFRP) son una alternativa

real para la industria de la construcción dada la relación costo-beneficio, facilidad de

colocación, etc.

Los ingenieros que intentan hoy el uso de CFRP en aplicaciones de reforzamiento externo

se encuentran en el reto de la innovación. Actualmente no existen reglas claras para el

diseño de elementos concreto (vigas o columnas) reforzados con CFRP, El instituto

americano del concreto (ACI) comité 440-F esta desarrollando un documento (ACI 440F-

99,1999) para proporcionar recomendaciones de diseño y técnicas de construcción para el

uso de CFRP para el reforzamiento de concreto. Sin embargo esta por definirse una

metodología explícita para uso apropiado de factores de seguridad, baja ductilidad, anclajes,

etc.

Con respecto a esto proporcionarán algunos lineamientos conservadores para la filosofía

del diseño utilizada en la actualidad y de los valores de fiabilidad del material.

El objetivo principal de este documento es tratar de describir el comportamiento de las

estructuras de concreto reforzado con CFRP a través de los diagramas de momento-

curvatura correspondientes a secciones compuestas (concreto-acero-CFRP) sometidas a

flexión, también se muestra la formulación matemática para la obtención de estos

diagramas.

INTRODUCCIÓN

El reforzamiento externo con CFRP (Polímeros Reforzados con Fibras de Carbono) es

adecuado para varias aplicaciones estructurales entre las cuales podemos nombrar:

- Aumento de la capacidad debido a algún cambio de uso.

- Reparaciones de secciones agrietadas.

- Reforzamiento alrededor de nuevas aberturas en placas.

- Confinamiento pasivo para aumentar la resistencia sísmica etc.

El reforzamiento externo con CFRP “no” debe de ser usado en las siguientes condiciones:

- La condición del concreto en la zona donde se debe de colocar las fibras esté

deterioradas.

- Existencia de corrosión sustancial en el acero de refuerzo interno.

- La no existencia de acero suficiente para proporcionar un comportamiento dúctil

al elemento de concreto armado.

1. - FILOSOFIA DE DISEÑO PARA EL REFORZAMIENTO

Los lineamientos básicos para el diseño que están siendo considerados por el instituto

americano del concreto (ACI 440-F) se ajustan a lo siguiente:

- Limites en el comportamiento de la resistencia para mantener el comportamiento

dúctil.

- Factores apropiados (fiabilidad) y limites en la resistencia de diseño.

- Criterio mínimo requerido antes del reforzamiento para prevenir el colapso del

pegamento adhesivo toda vez que pueda estar comprometido a eventos

incontrolables (fuego, vandalismo, impacto, etc.).

1.1. - Umbral de resistencia de estructuras previas al reforzamiento

La estructura debe de ser capaz de resistir las cargas de servicio sin fluencia del acero de

refuerzo y que la resistencia ultima del sistema sin reforzamiento exceda las nuevas cargas

de servicio por un factor de 1.2.

S = 1.2 (S + S +...)

n D L

Lo anteriormente descrito proporciona los factores de seguridad implicados de 1.2/0.9 = 1.3

(para flexión), y 1.2/0.85 = 1.4 (para corte), intentando con esto prevenir la fluencia del

acero de refuerzo. Este nivel de carga es similar al proporcionado por las guías del ACI

para pruebas de carga 0.85(1.4D+1.7L) que implican un factor de seguridad de 1.3. Una

carga incrementada de 1.2(D+L) a 1.4D+1.7L es a pesar de todo significante, y ofrece

oportunidad para el reforzamiento y que este esté limitado.

Estos factores de seguridad son necesarios para considerar la probabilidad de coincidencia

de carga no prevista, material de baja resistencia, influencias de construcción no previstas,

influencias ambientales no previstas, perdida de la adherencia del adhesivo debido a altas

temperaturas, buen comportamiento del elemento reforzado a lo largo del tiempo.

1.2. - Mínima cuantía de refuerzo para asegurar un comportamiento “Pseudo- Dúctil”

= A /bd 0.75

S b

Lo cual garantizará que la estructura en caso de sobrecarga mostrará una deformación

excesiva y una alerta visible de colapso.

2. - PROPIEDADES MECANICAS DE LAS FIBRAS DE CARBONO.

Las platinas CFRP son una combinación de fibras de carbono y una matriz de resina

epoxica y tiene en la dirección de la fibra una resistencia y rigidez muy altas, así como un

comportamiento excepcional a la fatiga, mejor que la del acero y además su densidad es

muy baja. Las fibras están colocadas en dirección longitudinal correspondiendo a la

dirección de la solicitación, de esta forma la lamina tiene una dirección unidireccional.

Las fibras son los elementos con capacidad de carga y la matriz epoxica sirve para unir

entre sí las fibras, permite la transferencia de carga entre las fibras y las protege del medio

ambiente.

La resistencia en dirección transversal a las fibras así como l resistencia a cortante son

bajos. Las características mecánicas en dirección longitudinal son determinadas por el tipo

de fibra y por el contenido en volumen de fibras en la platina.

DIAGRAMA ESFUERZO DEFORMACION

Platinas de fibras de carbono

3.50E+04

3.00E+04

)

2

m 2.50E+04

c

/

g

k

( 2.00E+04

o

z

r 1.50E+04 Tipo H (E=300 KN/mm2)

e

u

f

s 1.00E+04 Tipo M (E=210 KN/mm2)

E

Tipo S (E=165 KN/mm2)

5.00E+03

0.00E+00

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Deformacion Unitaria (%)

Fig. 1. Diagramas de Esfuerzo Vs. Deformación. De las fibras de carbono CFRP.

En la Fig. 1. Se muestra varias curvas de esfuerzo-deformación correspondientes a algunas

existentes en el mercado. Se puede observar que las fibras de carbono con un modulo de

elasticidad mas elevado tienen menor esfuerzo máximo en tensión. Con respecto a las 3

curvas mostradas correspondientes a tres tipos de platinas S, M y H de acuerdo con su

modulo de elasticidad, Las 2 primeras son usadas mayormente para el reforzamiento de

elementos de concreto armado mientras que la tercera se utiliza para reforzamiento de

elementos de madera.

3. - PROPIEDADES MECANICAS DEL ADHESIVO.

El adhesivo es usado para unir las fibras de carbono al elemento estructural y para sellar el

sustrato, previniendo las perdidas del epoxico desde el tejido saturado. A continuación se

muestran los rangos para las propiedades mecánicas del adhesivo existentes

...