scvdcxvzcvzcvXVX, Apuntes de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte. Universidad Europea de Miguel de Cervantes (UEMC)
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Asignatura: fsfssf, Profesor: fsdfsdf fsdfsdf, Carrera: Ciencias de la Actividad Física y del Deporte, Universidad: UEMC
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Universidad de San Carlos de Guatemala Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil

ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE UNA VIGA DE CONCRETO ARMADO, ENSAYADA A FLEXIÓN, REFORZADA

CON BARRAS DE FIBRA DE CARBONO

Luis Rodolfo Rosales Guzmán

Asesorado por el Ing. José Gabriel Ordóñez Morales

Guatemala, abril de 2008

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA

FACULTAD DE INGENIERÍA

ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE UNA VIGA DE CONCRETO ARMADO, ENSAYADA A FLEXIÓN, REFORZADA CON BARRAS DE FIBRA

DE CARBONO

TRABAJO DE GRADUACIÓN

PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA

FACULTAD DE INGENIERÍA

POR:

LUIS RODOLFO ROSALES GUZMÁN

ASESORADO POR EL ING. JOSE GABRIEL ORDÓÑEZ MORALES

AL CONFERÍRSELE EL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

GUATEMALA, ABRIL DE 2008

UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERÍA

NÓMINA DE JUNTA DIRECTIVA

DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos

VOCAL I Inga. Glenda Patricia García Soria

VOCAL II Inga. Alba Maritza Guerrero de López

VOCAL III Ing. Miguel Ángel Dávila Calderón

VOCAL IV Br. Kenneth Issur Estrada Ruiz

VOCAL V

SECRETARIA Inga. Marcia Ivonne Véliz Vargas

TRIBUNAL QUE PRACTICÓ EL EXAMEN GENERAL PRIVADO

DECANO Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos

EXAMINADOR Ing. Guillermo Francisco Melini Salguero

EXAMINADOR Ing. Omar Enrique Medrano Méndez

EXAMINADOR Ing. Claudio César Castañón Contreras

SECRETARIA Inga. Marcia Ivonne Véliz Vargas

HONORABLE TRIBUNAL EXAMINADOR

Cumpliendo con los preceptos que establece la ley de la Universidad de San

Carlos de Guatemala, someto a su consideración mi trabajo de graduación

titulado:

ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE UNA VIGA DE CONCRETO ARMADO, ENSAYADA A FLEXIÓN, REFORZADA

CON BARRAS DE FIBRA DE CARBONO,

tema que me fuera asignado por la Dirección de Escuela de Ingeniería Civil, el

cinco de septiembre de 2006.

Luis Rodolfo Rosales Guzmán

I

ÍNDICE GENERAL

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES V GLOSARIO VII JUSTIFICACIÓN XI PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA XIII RESUMEN XV OBJETIVOS XVII INTRODUCCIÓN XIX 1. BARRAS DE FIBRA DE CARBONO 1.1 Historia 1

1.2 Definiciones 2

1.3 Ensayos y control de calidad del sistema de refuerzo 12

1.3.1 Caracterización de fibras 12

1.3.2 Caracterización de la resina epóxica 13

1.3.3 Caracterización de las barras 14

1.3.3.1 Densidad 14

1.3.3.2 Porcentaje de volumen en fibra 15

1.3.3.2.1 Método de la disolución en ácido 15

1.3.3.2.2 Método directo 16

1.3.3.3 Determinación de las propiedades mecánicas de

tracción 16

1.3.3.3.1. Probeta de ensayo 17

1.3.3.3.2 Lengüetas de amarre 18

1.3.3.3.3 Procedimiento de ensayo 19

II

1.4 Propiedades 20

1.4.1 Físicas 20

1.4.2 Mecánicas 20

1.4.3 Químicas 21

1.5 Componentes del sistema de refuerzo con barras de fibra

de carbono 23

2. APLICACIÓN DEL SISTEMA DE REFUERZO 2.1 Preparación previa a aplicación del sistema de refuerzo 25

2.1.1 Evaluación de las características y propiedades

requeridas por el sistema de refuerzo 25

2.1.2 Limpieza de la superficie de concreto 27

2.1.3 Espacio para colocación de barras 28

2.2 Secuencia de aplicación de los componentes del

sistema de refuerzo 29

2.2.1 Imprimación epóxica 29

2.2.2 Colocación de barras 30

2.2.3 Recubrimiento epóxico final 31

3. METODOLOGÍA 3.1 Investigación bibliográfica 33

3.2 Diseño del experimento 33

4. ELABORACIÓN DE VIGAS MUESTRA 4.1 Características de vigas de concreto armado 35

4.2 Características de vigas de concreto armado,

reforzado con fibra de carbono 35

4.3 Materiales utilizados 35

4.4 Equipo utilizado 36

III

4.5 Dimensiones de las vigas 36

4.6 Diseño teórico estructural de las vigas 37

4.7 Diseño de refuerzo con barras de fibra de carbono 39

5. ENSAYOS DE LABORATORIO 5.1 Métodos de ensayo 41

5.2 Estimación de cargas de ensayo 42

5.3 Procedimiento de ensayo 43

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.1 Tabulación de resultados 45

6.2 Gráficas comparativas 48

6.3 Fallas por flexión 52

6.4 Discusión de los resultados 54

7. EXPERIENCIAS 7.1 Experiencias en Guatemala 57

7.2 Experiencias en otros países. 61

CONCLUSIONES 65 RECOMENDACIONES 67 BIBLIOGRAFÍA 69

IV

.

V

ÍNDICE DE ILUSTRACIONES FIGURAS

1. Fibra de carbono y matriz polimérica 2

2. Ampliación microscópica de PRF 6

3. Ensayo a filamentos de fibra de carbono 12

4. Ensayo de tracción para resinas epóxicas 13

5. Probeta de ensayo a tracción 18

6. Barras de fibra de carbono 23

7. Resina epóxica 24

8. Rehabilitación del concreto 26

9. Inyección epóxica 27

10. Limpieza y preparación de superficie 28

11. Espacio para colocación de barras 29

12. Imprimación epóxica 30

13. Colocación de barra 31

14. Recubrimiento epóxico final 32

15. Elaboración de vigas de concreto armado 38

16. Curado de vigas de concreto armado 38

17. Software para cálculo de área de refuerzo 39

18. Software para cálculo de área de refuerzo 39

19. Diagrama para colocación de barras de fibra de carbono 40

20. Ensayo de flexión en viga de concreto armado 42

21. Diagrama de procedimiento de ensayo 43

22. Gráfica carga – deflexión 44

23. Gráfica de comparación por módulo de ruptura 48

24. Gráfica de comparación por carga máxima permisible 49

25. Gráfica de comparación por deflexión máxima 50

26. Gráfica de comparación por deflexión de rotura 51

27. Ensayo en viga sin refuerzo de fibra de carbono 52

28. Ensayo en viga con refuerzo de fibra de carbono 52

VI

29. Ensayo en viga sin refuerzo de fibra de carbono 53

30. Ensayo en viga con refuerzo de fibra de carbono 53

31. Refuerzo en edificio Planta Cementera 57

32. Refuerzo en edificio centro comercial, en plenas operaciones

comerciales 58

33. Refuerzo en edificio centro comercial, en plenas operaciones

comerciales 58

34. Refuerzo en columnas circulares Aeropuerto Internacional

La Aurora 59

35. Refuerzo en columnas circulares Aeropuerto Internacional

La Aurora 59

36. Refuerzo en edificio zona 14 capitalina 60

37. Refuerzo en edificio zona 14 capitalina 60

38. Refuerzo a flexión con barras de fibra de carbono en losas

deflectadas 61

39. Refuerzo a flexión con barras de fibra de carbono en losas

deflectadas 61

40. Refuerzo en puente de planta cementera 62

41. Refuerzo en puente de planta cementera 62

42. Refuerzo en silos de planta cementera 63

TABLAS

I. Dimensiones recomendadas de la probeta (en mm) 18

II. Vigas sin refuerzo de fibra de carbono 46

III. Vigas con refuerzo de fibra de carbono 46

IV. Comparación por módulo de ruptura 47

V. Comparación por carga máxima 47

VII

GLOSARIO

Anisotropía: Característica de la fibra de carbono de tener diferentes propiedades mecánicas

dependiendo del sentido de aplicación de

la carga, comportandose de manera

distinta.

Barras de fibra de carbono: Barra de sección rectangular fabricada de

fibra de carbono de grado aeroespacial y

matriz polimérica, para refuerzo de

estructuras de concreto y mampostería.

Concreto reforzado: Es el concreto que además del refuerzo

por contracción y cambios de

temperatura, contiene otro refuerzo,

dispuesto de tal manera que los dos

materiales actúan juntos para resistir las

fuerzas exteriores.

Ensayo a flexión: Sirve para determinar la máxima carga a soportar por una viga cuando está

sometida a una fuerza que le produce

pandeo.

Falla en concreto: Punto arbitrario, donde el concreto deja de ser funcionalmente apto para su uso

destinado. Defecto material del concreto,

que merma su resistencia al momento de

aplicarle una o varias fuerzas o cargas.

X

Fatiga: Pérdida de resistencia por carga aplicada constantemente. Es el cambio

permanente estructuralmente progresivo,

que ocurre en un material sometido a

esfuerzos o cargas constantes, que en un

determinado punto o puntos, puede

ocasionarle grietas, deformaciones o

incluso fracturas, después de un número

repetido de fluctuaciones.

Fibra de carbono: Material con base en carbono, bajo la

forma de fibras en la cual los átomos de

carbono se quedan en perfecta

alineación, esta alineación es la que

produce la elevada resistencia de la fibra

de carbono.

Fibras: Uno o más filamentos en un orden de ensamblaje. Elementos sustentadores de

la carga en un material compuesto que

exhibe una microestructura bien orientada

y libre de defectos, con un diámetro

menor a un milímetro.

FRP: (Fiber Reinforced Polymers) Por sus siglas en inglés, polímeros reforzados con

fibra.

Imprimación: Es la primera capa de resina epóxica, utilizada para rellenar la estructura porosa

X

del concreto y facilitar una adherencia

adecuada al substrato de concreto.

Inyección epóxica: Es el proceso de adhesión al concreto,

mediante una resina epóxica de muy baja

viscosidad, la cual es introducida a

presión o por gravedad, para unir ambas

partes de concreto endurecido.

Matriz Polimérica: Elemento macromolecular, que recubre y protege las fibras de carbono para

mantenerlas juntas y perfectamente

alineadas.

PAN: Poli Acrilo Nitrilo, material compuesto

proveniente de la industria de refinado de

petróleo.

Polímero: Material macromolecular formado por la combinación química de monómeros, que

tienen la misma o diferente composición

química.

Refuerzo estructural: Aumento de la capacidad estructural de

un elemento que está en buenas

condiciones, a fin de adaptarlo a un

cambio de la carga.

Resina epóxica: Líquido viscoso o pasta rígida multicomponente, que a través de una

reacción química provee una alta

X

adherencia, resistencia a compresión y a

tensión. Matriz del material compuesto

termoestable cuya función es la de

mantener fijas las fibras, permitir la

transferencia de carga entre las mismas y

protegerlas del ambiente.

Sistema de refuerzo: Es la unión de una barra de fibra de

carbono y una resina epóxica, adherida al

concreto para incrementar su resistencia.

XI

JUSTIFICACIÓN

Actualmente Europa y Estados Unidos hacen uso frecuente del refuerzo

estructural en vigas con barras de fibra de carbono, no así en Guatemala donde

se conoce y utiliza muy poco esta alternativa debido a que se tiene la creencia

que es muy caro o complicado. Por lo tanto, se siguen utilizando métodos

tradicionales por temor al fracaso y al cambio, ya que del refuerzo estructural

depende la estabilidad de la estructura.

Por esta razón, surge la motivación de hacer un estudio documentado y un

análisis a través del ensayo a flexión que sirva de guía a quien lo consulte y le

proporcione orientación acerca de lo que se puede lograr con este material, el

procedimiento para colocarlo, los materiales accesibles en el medio, con los que

se puede trabajar, así como una forma sencilla de calcularlo y cuantificarlo, para

obtener un método de construcción nuevo y diferente a los métodos

tradicionales.

El estudio de este sistema de refuerzo con barras de fibra de carbono busca dar

a conocer en el país el uso de este método con sus aplicaciones, ventajas,

características, materiales, propiedades y comportamientos. Asimismo se busca

comparar las resistencias a flexión por medio del uso del refuerzo con barras de

fibra de carbono versus una viga sin ningún tipo de refuerzo; para obtener a

través del análisis del ensayo, números comparativos que reflejen las ventajas

de la utilización de esta técnica y el comportamiento de una viga, a lo largo de

la prueba.

XII

Una razón más para la realización de esta investigación es el trasfondo cultural

guatemalteco, ya que el país cuenta con muchos edificios ricos en historia

arquitectónica, que con el uso de este tipo de refuerzo se lograría rescatar

cualquier viga o elemento que exija alta resistencia a la flexión sin modificar su

geometría, forma, o apariencia visual, conservando así las características

originales de los elementos estructurales. Al mismo tiempo, el uso de este

sistema de refuerzo añade resistencia y vida útil al elemento sin que sufra

daños la viga o la estructura integral.

XIII

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Con la creciente necesidad de reparar o rehabilitar vigas de concreto armado

surge la tecnología de refuerzo con barras de fibra de carbono. Sin embargo, el

poco uso en Guatemala de estos métodos hace que se realicen reparaciones

costosas, complicadas y que en ocasiones cambian las características y

aspecto de las vigas a reforzar. En peores casos, por el desconocimiento de

técnicas fáciles y rápidas, incluso se llega a extremos como demoler o

simplemente no se hace ningún tipo de refuerzo, aunque la estructura lo

amerite. Para esto se requiere estudiar los ensayos necesarios que

determinarán el comportamiento y aplicación de las diferentes técnicas que se

pueden aplicar, según las necesidades del entorno guatemalteco.

Muchas de las tareas que se realizan con el refuerzo de vigas incluyen el uso

de diversos equipos y maquinaria, por lo que dejan de ser rentables o prácticas

cuando se encuentran condiciones adversas a las aplicaciones de las mismas.

Este refuerzo dará solución a problemas tales como:

a) Incremento de cargas vivas a estructuras.

b) Refuerzos que requieren poco tiempo y espacio.

c) Control y resane de fisuras.

d) Envejecimiento de los materiales.

e) Corrosión del acero de refuerzo.

f) Daño a partes estructurales.

g) Dimensiones insuficientes.

h) Área de acero insuficiente.

XIV

Ante la necesidad de añadir a las vigas de una estructura mayor resistencia a

flexión, tensión y elevación del módulo de elasticidad con elementos livianos

pero resistentes, fáciles de maniobrar pero eficientes; se busca analizar el

ensayo a flexión para que a través de los resultados que se obtendrán en el

laboratorio, se puedan determinar diferencias que reflejen el uso y beneficios

estructurales obtenidos con la aplicación de barras de fibra de carbono.

XV

RESUMEN

Las barras de fibra de carbono son un elemento de refuerzo estructural, para

vigas y para muros de carga, en ambos casos el impacto estético es muy bajo,

y el procedimiento de aplicación es muy sencillo; por lo que es una alternativa

muy eficiente para elementos estructurales en funcionamiento.

En este trabajo se elaboraron vigas de concreto armado, de las cuales la mitad

se reforzó con barras de fibra de carbono, para demostrar los incrementos

significativos en cuanto a módulo de ruptura y carga máxima permisible;

basados en un ensayo de flexión, con una carga puntual aplicada y la viga

simplemente apoyada en sus extremos.

Se describe el proceso de aplicación de la fibra de carbono, demostrando su

facilidad de aplicación y los requerimientos mínimos de preparación de un

elemento de concreto para hacer funcionar el refuerzo.

Según lo investigado, el refuerzo de barras de fibra de carbono ofrece una

solución efectiva a problemas comunes; que van desde: incremento de cargas a

una estructura, fatiga y envejecimiento del concreto y acero, hasta malos

diseños estructurales.

Se exponen a su vez experiencias nacionales e internacionales, en las cuales el

refuerzo estructural con fibra de carbono, ha sido la solución a diferentes

circunstancias, tanto en el campo de la construcción como en diversas

industrias. Ejemplificando casos reales detallando el problema y la solución

encontrada en la fibra de carbono.

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