¡Descarga REFORZAMIENTO ESTRUCTURAS EXISTENTES y más Apuntes en PDF de Inglés solo en Docsity!
FIBRAS DE CARBÓN PARA EL REFUERO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO
Juan Luis Cottier Caviedes
Control diseño y Patología de Obras Civiles S.A. de C.V. Antonio Solis # 128 Col. Obrera, México D.F. Tel 55-19-72-84 Fax 55-30-35- Email: [email protected].
RESUMEN
En este trabajo se presenta una semblanza de la técnica de reforzamiento de estructuras utilizando materiales compuestos como son las laminas y textiles de carbón y fibra de vidrio; se analizan sus características mecánicas así como sus ventajas, desventajas y métodos de colocación.
SUMARY
Through this paper work we overview the structure reinforcement techniques employing compounded materials such as metal sheets, carbon textile and glass fiber. Mechanical characteristics are analized as well as adventages and disaventages including all the placement methods
INTRODUCCIÓN
Los trabajos de reparación y reforzamiento de edificios y de obras civiles en general es cada día mas frecuente, estos trabajos se pueden realizar en la estructura completa o parte de ella. El reforzamiento en una estructura generalmente es consecuencia de alguno de los factores que a continuación pasamos a analizar.
Como primer aspecto podemos mencionar el cambio de destino o de uso de una estructura lo que nos puede originar que tenga que soportar cargas superiores a las previstas en el proyecto original, o a que la distribución de las mismas sea diferente a las inicialmente consideradas. En estos casos puede que la capacidad resistente de los elementos estructurales no sea la adecuada para las nuevas solicitaciones, por lo que nos veremos en la necesidad de proceder a reforzar la obra o determinados miembros de la misma. Un segundo aspecto es la necesidad de reforzamiento como consecuencia de una disminución de resistencia de los elementos estructurales, motivada por las acciones de carácter accidental (choque, sismo, hundimiento etc), que hayan dañado la estructura siendo preciso restablecer la resistencia o capacidades resistentes iniciales. En este punto también se pueden incluir como fenómenos de daño las acciones químicas que dan lugar a una caída de la resistencia del concreto como pueden ser la acción de los sulfatos, el ion cloruro, la acción álcali-agregado, fuego, carbonatación, etc. El tercer aspecto a considerar es el reforzamiento necesario debido a errores que se hayan producido en el proyecto estructural y, que como consecuencia de éstos, todos o algunos elementos no tengan la suficiente capacidad para soportar las acciones de servicio. Como último aspecto se pueden citar los errores que se producen durante la construcción y por desgracia son frecuentes, estos problemas en las estructuras suelen estar motivados por situaciones como: mala colocación del acero, defectos en el doblado, amarrado, diferencia en la posición del acero, o bien una deficiente calidad y secciones del acero.
Para la solución de los problemas anteriormente citados se ha recurrido a diferentes técnicas de refuerzo, como son: la colocación extra de acero de refuerzo simple, colocación de postensado exterior, aumento de la sección con o sin un refuerzo adicional (concreto colocado convencionalmente, lanzado, o adherido como elemento prefabricado, etc.), colocación de placas de acero exteriormente, acero adherido en forma de láminas, materiales compuestos como láminas y textiles de carbón y fibra de vidrio, etc. Dentro de estas técnicas, la que por su rapidez de ejecución no precisar de instalaciones ni equipos sofisticados, poco peso y buena durabilidad, ha sido objeto de muchas investigaciones y proyectos recientemente es el reforzamiento de elementos de concreto con bandas o láminas y textiles de carbón y fibra de vidrio, técnica que día a día se emplea mas en diferentes países como Japón, Estados Unidos, Alemania Suiza y Francia. Esta tecnología tiene como antecedentes lo siguiente:
Antecedentes.
Todos tenemos bien entendido que el concreto armado debe su excelente comportamiento y servicio al trabajo en conjunto de los materiales que lo componen el concreto y el acero; cada uno de ellos aporta sus virtudes y como no sus inconvenientes también. Sabemos que el concreto aporta su buena resistencia a compresión simple, modulo de elasticidad, estabilidad dimensional, facilidad de trabajo y baja resistencia a la tensión. Por otro lado el acero en forma de varillas suministra la resistencia a tensión que el concreto no tiene, formando así un material de cualidades muy importantes en la construcción de cualquier obra de concreto.
Para que el concreto armado mecánicamente sea armónico hace falta una característica fundamental que es la adherencia entre el concreto y el acero, esta adherencia se produce por una acción física como es el rozamiento concreto-acero, favorecida por la solicitación de zunchado o abrazo del concreto sobre la superficie completa de las varillas de acero, motivada por la resistencia del concreto y las corrugaciones que tiene el acero de refuerzo. La adherencia es tan enérgica que las varillas sometidas a la acción de arrancamiento axial no deslizan llegando a su estado ultimo provocando la ruptura por cortante del concreto según superficies troncoconicas cuyo eje serán las varillas.
Como vemos el concreto armado es posible gracias a esa adherencia pero no hay que pensar que ésta ha de ser forzosamente de carácter físico, provocada por el abrazo del concreto sobre el acero, sino que cabe la posibilidad de que la adherencia sea consecuencia de la fuerza de adhesión que se desarrolla entre los materiales por intermedio de un pegamento o adhesivo y las cuales no se fundamenta en acciones de rozamiento, sino, fundamentalmente en los fenómenos de adhesión en los que intervienen acciones de tipo mecánico y químico.
En este fenómeno de adhesión de un material de refuerzo al concreto por intermedio de un adhesivo, se basa el refuerzo de los elementos estructurales que nos ocupa y en este caso específico el material de refuerzo son láminas o textiles de carbón y fibra de vidrio, y el material adhesivo es la resina epóxica conocido como reforzamiento con materiales compuestos.
Los primeros trabajos de investigación relacionados con el reforzamiento del concreto por medio de la adherencia de un material de refuerzo se llevaron a cabo en Francia en 1967 cuando L´Hermite et Bresson estudiaron el sistema de reforzamiento utilizando bandas de acero adheridas con resina epóxica. Apareciendo la primera conferencia técnica en el
Si se puede comparar con las placas de acero comunmente usadas para el refuerzo de concreto se pude ver que existen diferentes características donde la competencia es favorable a las fibras. Tabla 2.
Característica Material compuesto Lamina de acero normal.
Peso Propio Muy bajo Alto Espesor general Muy bajo Bajo Manejo Fácil Flexible Complicado rígido Intersecciones o cruces Fácil Difícil Resistencia a la tensión Muy Alta Alta Comportamiento a la fatiga Excelente Adecuado Capacidad de carga En dirección longitudinal Cualquier dirección Longitud de placa Cualquiera Limitada Corrosión Ninguna Si Conocimientos técnicos Incipientes Completos Resistencia a los rayos U.V. Solo con protección Adecuado Resistencia al fuego Ninguna Limitada.
Tabla 2.- Comparativa de características fibras de carbón - acero
Diseño de refuerzo con fibras de carbón y de vidrio.
El reforzamiento de estructuras de concreto usando los materiales llamados compuestos hasta el momento se ha realizado utilizando únicamente las especificaciones y formas de calculo de las empresas fabricantes de las fibras, ya que aún no existe reglamento alguno que se ocupe de estos materiales. Es importante saber que debido a la importancia del tema y a los resultados obtenidos en los refuerzos ejecutados en diversas partes del mundo, el ACI en su comité ACI 440 ha desarrollado unos reportes preliminares en relación al procedimiento de diseño para el reforzamiento externo, resumiendo el estado del arte de este sistema de reforzamiento. En este documento se tratan también los sistemas de reforzamiento externo de estructuras existentes con materiales compuestos, las propiedades de cada uno de los materiales que los componen como son las fibras y resinas, y se hace referencia a estudios e investigaciones realizadas hasta la fecha.
Se comprende que por la poca experiencia con estos materiales los coeficientes recomendados por los fabricantes son aún conservadores al igual que lo que recomienda ACI, sin embargo cada ingeniero deberá evaluar el nivel de riesgo según las condiciones de trabajo de la estructura y definir el reforzamiento requerido, dando una solución óptima para cada caso, cumpliendo con los requerimientos de seguridad mínimos requeridos.
El diseño del reforzamiento debe cumplir con cada una de las etapas siguientes: -Diseño a flexión, en los casos de elementos sin reforzamiento y con reforzamiento. -Delaminación del concreto o cortante crítico. -Verificación de la longitud de anclaje de la lámina. -Capacidad de servicio.
Es importante que el diseñador revise cada una de las etapas anteriores puesto que la experiencia ha demostrado que la delaminación del concreto o la longitud de anclaje de la lámina son las que definen el diseño de la sección. Siendo entonces necesario diseñar un reforzamiento de tal forma que aún con la falla de la lámina por cualquiera de estas causas el elemento sea estable. Figura 1
Otro aspecto importante que el diseñador debe tener presente son las posibles fallas que se pueden producir por la degradación del concreto así como por la oxidación del acero de refuerzo por ataque químico, motivo por el cual es indispensable efectuar previamente a todo trabajo de reforzamiento, un estudio completo de patología de la estructura con el objetivo de conocer adecuadamente las características de los materiales que forman la estructura sus condiciones de
estabilidad y químicas, al momento de estudiar su reforzamiento, logrando así un estudio completo garantizando la durabilidad de la estructura en su nueva etapa de trabajo.
TIPOS PROBABLES DE FALLA
1.- Falla a tensión de la lamina 2.- Aplastamiento del concreto zona de compresión. 3.-Fluencia del acero o rotura del acero. 4.- Desprendimiento del concreto. 5.- Rotura preliminar. 6.- Falla de cohesión en la capa del adhesivo 7.- Falla de adhesión (superficie de la lamina ) 8.- Falla de adhesión(superficie del concreto).
Figura 1.- Tipos probables de fallas en los sistemas de reforzamiento con materiales compuestos
En caso de requerir trabajos de reparación paralelos a los de reforzamiento se deberá estudiar los productos a emplear para que garanticen la durabilidad de la estructura en su conjunto.
El desarrollo matemático para el reforzamiento en flexión y por cortante varía para cada fabricante por lo que queda fuera del alcance del presente trabajo.
Colocación de los materiales compuestos.
Para la realización de la colocación de las fibras debe ser inspeccionada cuidadosamente la superficie del concreto donde se va a adherir el refuerzo, para evitar fallas del concreto.
La superficie deberá estar libre de fisuras para lo cual antes de cualquier intervención las fisuras se deberán sellar utilizando el método de inyección de resinas a presión variable de acuerdo al espesor de la fisura, en el caso de existir deformaciones, imperfecciones o cacarizos, de deberán reparar cuidando cumplir con las tolerancias de desnivel que el fabricante especifique. Al termino de las reparaciones previas se debe comprobar que el concreto tenga una resistencia a la tensión por arrancamiento (pull out) sea como mínimo 15 kg/cm
Cumpliendo lo anterior se procederá a retirar la capa de mortero que se forma por la cimbra dejando la superficie de concreto áspera mostrando la superficie de los agregados, eliminando partículas sueltas, grasas, residuos de membranas de curado, lechadas de cemento o cualquier materia extraña, esta actividad se puede realizar utilizando el método de chorro de arena, escarificado, mateando etc.
Cuando la superficie de concreto se encuentre preparada y limpia se procederá a aplicar según sea el fabricante un adhesivo epoxico (material de curado) el cual servirá para preparar al concreto esta capa pude ser desde un plaste epoxico hasta un conjunto ( 3 a 4 capas) de resinas muy fluidas, posteriormente se coloca la fibra ya sea en forma de lamina o textil cuidando no dejas burbujas de aire entre el adhesivo y las fibras en esta etapa la colocación se auxilia con un rodillo que para el caso
4
