EL COMPORTAMIENTO DEL CONCRETO CONFINADO CON REFUERZOS DE FIBRAS PLASTICAS (RFP)

EL COMPORTAMIENTO DEL CONCRETO CONFINADO CON REFUERZOS DE FIBRAS PLASTICAS (RFP)

Francisco J. Rey S.

RESUMEN

En esta investigación se realizó un estudio experimental y analítico del comportamiento del concreto confinado externamente con refuerzos de fibras plásticas (RFP). Se fabricaron cilindros de concreto de 76 mm de diámetro y 305 mm de altura, los cuales fueron reforzados con tres diferentes tipos de RFP: dos de fibras de carbono y uno de fibra de vidrio. Los cilindros confinados y no confinados fueron probados en compresión uniaxial; durante las pruebas se obtuvieron la carga axial y las deformaciones axial y lateral para evaluar las curvas de esfuerzo-deformación, el esfuerzo último, la rigidez y la ductilidad de las muestras. El confinamiento con RFP mejoró significativamente las propiedades mecánicas de los cilindros de concreto.

Se desarrolló un modelo analítico para predecir el comportamiento de las curvas esfuerzo a compresión contra las deformaciones axial y lateral del concreto confinados con RFP. El modelo de desarrolló basado en los datos experimentales y en ecuaciones propuestas por otros investigadores para concreto confinado con acero. Estas ecuaciones fueron revisadas y modificadas para poder ser aplicadas a concreto confinado con RFP. Los resultados obtenidos con el modelo analítico se compararon con los datos experimentales de esta investigación y con los datos experimentales obtenidos por otros investigadores. Las comparaciones mostraron que el modelo predice satisfactoriamente los datos experimentales.

INTRODUCCION

Muchas de las estructuras existentes necesitan alguna clase de rehabilitación o reparación debido al deterioro que han sufrido con el tiempo o a la baja capacidad de carga que tienen. Estos problemas en las estructuras pueden ser causados por la baja calidad de los materiales, por la exposición de estas a ambientes corrosivos o salinos, porque fueron diseñadas sin un código de diseño o por la sobre cargas aplicadas. La rehabilitación de la infraestructura es necesaria para prevenir que las estructuras se dañen o colapsen en futuros desastres naturales como terremotos y huracanes.

Muchos métodos de rehabilitación han sido desarrollados alrededor del mundo usando materiales nuevos y tradicionales. Una de las últimas técnicas que se está desarrollando para la rehabilitación de la infraestructura civil es el usar refuerzo de fibras plásticas (RFP) para reparar estructuras de concreto. El uso de RFP para reparar y rehabilitar estructuras civiles tiene muchas ventajas en comparación con otros materiales usados. Las principales ventajas de este material son su alto esfuerzo en tensión y su bajo peso. Su baja densidad es importante, porque el peso que añade a las estructuras existentes es depreciable y porque no se requeriere un equipo pesado durante la reparación con RFP. Algunos de los RFP poseen una alta resistencia a la corrosión, lo cual los hacen apropiados para ser usado en estructuras costeras y marinas.

Algunas de las fibras usadas para reforzar el concreto son fibras de carbono, vidrio y aramid. La dirección longitudinal de estas fibras se caracteriza por una relación lineal de esfuerzo-deformación, por un alto esfuerzo a tensión y por un alto módulo de elasticidad. Las fibras están embebidas en una resina, la cual las mantiene juntas, las protege de las condiciones ambientales y distribuye el esfuerzo igual en cada una de las fibras. Las resinas típicas usadas son “polyesters” y “vinylestres”.

Uno de los problemas de las estructuras es la falta de confinamiento de las columnas y la poca capacidad de absorción de energía. Algunos investigadores han demostrado que el confinamiento de las columnas de concreto incrementa el esfuerzo a compresión, la ductilidad y por lo tanto produce una mayor capacidad de energía. Richard, Brandtzaeg, y Brown (1928 y 1929) fueron unos de los primeros investigadores en incrementar el esfuerzo y la deformación de los cilindros de concreto, debido a un confinamiento con presión hidrostática y con refuerzo de acero en espiral. Otros investigadores han desarrollado modelos analíticos para predecir el comportamiento de la curva esfuerzo-deformación del concreto confinado con acero. (Scott et al. (1982), Martínez et al. (1982), Ahamad y Shah (1983), Mander et al. (1988), Saatcioglu y Razvi (1992), Karabinis y Kiousis (1996)).

Diferentes investigaciones han mostrado que RFP tiene grandes ventajas para la reparación y rehabilitación de infraestructura civil. Faza et al. (1994), Chajes et al. (1995) y Varastehpuor y Hamelin (1995) reforzaron externamente vigas de concreto con RFP y encontraron que el refuerzo incrementa la capacidad de flexión y de cortante y la rigidez a flexión de las vigas. Fardis y Khalili (1982), Harmon y Slattery (1992), Nanni et al. (1993) y Picher et al. (1996) confinaron cilindros de concreto y probandolos bajo carga axial mostraron que el confinamiento mejoró el esfuerzo a compresión y la deformación de los cilindros.

En este artículo se presenta un estudio experimental y analítico del comportamiento del concreto confinado con RFP. Se propone un modelo matemático para predecir el comportamiento de las curvas esfuerzo-deformación del concreto confinado con RFP. El modelo se basa en la compatibilidad de deformaciones y equilibrio de fuerzas entre el concreto y RFP para evaluar el esfuerzo de confinamiento desarrollado por RFP sobre el concreto y las deformaciones axiales y laterales de los cilindros.

APORTE DE LA INVESTIGACION

Esta Investigación muestra como el confinamiento externo del concreto con refuerzos de fibras plásticas (RFP) incrementa la carga última, la ductilidad y por lo tanto, la capacidad de absorción de energía de los cilindros de concreto. El incremento de estas propiedades mecánicas del concreto hacen al RFP un material muy útil para reparar y rehabilitar estructuras ya existentes y para diseñar nuevas estructuras con menores dimensiones.

Los modelos existentes para predecir el comportamiento del concreto confinado con acero no son aplicables a concreto confinado con RFP. Por esta razón, se propone un modelo matemático para predecir el comportamiento del concrete confinado con RFP bajo carga axial. Este modelo puede ser un paso importante en el desarrollo de una guía de diseño para el uso de RFP en el confinamiento de columnas de concreto.

TRABAJO EXPERIMENTAL

Los cilindros fueron confinados con RFP; el confinamiento se produjo por la envoltura de los cilindros en una manera continua con dos capas de hojas de RFP. Se usaron Tres tipos de RFP: dos de carbono (C1 y C5) y uno de vidrio (GE), los cuales fueron unidos al concreto con dos tipos de sistema de epóxico (tipo A y tipo B). Los dos sistemas de epóxico consisten de dos partes, resina y endurecedor, los cuales se mezclan en una relación de 2:1, respectivamente. En la tabla 1 se presenta las propiedades de los refuerzos de fibras plásticas (RFP) y los sistemas de epóxico.

Un total de 36 cilindros fueron probados, los cuales se dividieron en tres grupos: de control (no expuestos a condiciones ambientales), expuestos a un ambiente salino y expuestos a bajas temperaturas. El grupo de control y el grupo expuesto a un ambiente salino consistieron de 14 cilindros: dos no confinados y 12 confinados (dos con cada tipo de RFP y sistema epóxico tipo A y dos con cada tipo de RFP y sistema epóxico tipo B); y el grupo expuesto a bajas temperaturas consistió de ocho cilindros: dos no confinados y seis confinados (dos con cada tipo de RFP y sistema epóxico tipo A). En la tabla 2 se presenta un resumen de las pruebas realizadas.

Las dimensiones de los cilindros de concreto fueron 76 mm de diámetro y 305 mm de altura (3 x 12 pulgadas), como muestra la figura 1. El concreto usado en los cilindros fue de resistencia normal, con una relación de mezcla de cemento:agregado fino:agregado grueso:agua igual a 1:2:3:0.5 en peso, respectivamente. El cemento usado fue cemento Portland tipo II. La composición del agregado fino fue hecha de 50% de arena de río y 50% de arena de playa. El agregado grueso consintió de piedra triturada con tamaño máximo de 12.7 mm (1/2 pulgada). En la mezcla de concreto no se usó ningún tipo de aditivo. La resistencia promedio de los cilindros a los 28 días fue de 30 MPa (306 Kg/cm2).

Los cilindros fueron secados y limpiados completamente antes de ser confinados. Las hojas de RFP tenían las siguientes dimensiones 559 mm en la longitud de la fibra y 305 mm de ancho (22 x 12 pulgadas); la longitud de la fibra se orienta ± 90o con respecto al eje del cilindro y su dimensión fue dos veces el perímetro de los cilindros mas 76 cm de traslapo para asegurar un completo desarrollo del RFP. Una capa delgada de epóxico de 300 gr/mm2 se aplicó sobre la hoja de RFP, la cual se aplicó directamente sobre la superficie del concreto en una manera continua envolviendo al cilindro con dos capas de hojas de RFP. Finalmente una capa de epóxico se aplicó sobre la superficie del concreto envuelto. El mismo proceso se usó para todos los cilindros confinados, asegurandose que no hubiera vacíos entre las hojas sucesivas de RFP y entre el concreto y el RFP. Todos los cilindros confinados fueron colocados en un cuarto a temperatura ambiente por siete días antes de ser probados o expuestos a condiciones ambientales, esto fue hecho para asegurar el curado del sistema

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