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REFUERZO DE ESTRUCTURAS MEDIANTE ADHESIÓN EXTERNA DE POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRA DE CARBONO Y ARAMIDA (FRP)

INTRODUCCIÓN

En Chile existe un parque de estructuras tanto en obras de edificación como civil que requiere de su adecuación al uso, y reparación debido a la degradación, actualización a nuevas normativas, cambios de uso,… Para dar respuesta a estas exigencias, surgió el refuerzo mediante platabandas de acero. Pero debido a su alto coste de fabricación, al ser elementos muy pesados, dificultosa colocación y a su rápido deterioro por corrosión, limitaron su uso.

Más recientemente (unos 25 años atrás) aparecieron los polímeros reforzados con fibras (FRP, fiber-reinforced polymer)  como sustitutivo a las platabandas de acero.

El atractivo de los refuerzos con composites reside en sus altas resistencias a la tracción, durabilidad (resistentes a la corrosión); propiedades muy interesantes versus los refuerzos tradicionales de platabandas de acero. A esto le debemos añadir su alta relación resistencia/peso, proporcionando unos materiales muy manejables y rápidos de colocar.
Por todo ello, el refuerzo de estructuras de hormigón es el campo de la construcción donde más rápido y con mayor éxito se están aplicando los nuevos materiales compuestos (polímeros armados con fibras, o FRP). Los refuerzos con FRP se realizan de forma muy rápida, con pocos operarios y utilizando medios auxiliares ligeros, minimizándose las interrupciones del uso de la estructura y las molestias a los usuarios. La aplicación de estos materiales se traduce en un ahorro en costes de manos de obra respecto los refuerzos tradicionales entorno al 40-50%, compensando con creces el coste de la materia prima, y añadiendo la ausencia de mantenimiento requerido.
 

CAMPOS DE APLICACIÓN

Un refuerzo estructural mediante un sistema en base a fibras de carbono comprende los refuerzo, frente a esfuerzos flectores, cortantes, confinamiento. Al ser productos anisótropos, trabajando en una sola dirección y únicamente absorben tracciones, deberán de disponerse en las zonas traccionadas de los elementos que se refuercen.

Como ejemplo, se utilizan en:

• Defectos de proyecto y/o de ejecución.
• Rehabilitación de estructuras.
• Cambios de uso que conlleven un incremento de cargas.
• Adaptación a nuevas normativas.
• Reparación de estructuras dañadas con pérdida de sección resistente (corrosión,…)
  

Tipo de estructuras:

Obra civil:

• Puentes, viaductos: pilas, tableros, vigas,…
• Depósitos y chimeneas
  

Obra de edificación:

• Refuerzos unidireccionales, reticulares, losa.
• Pilares.
• Vigas.  
   

FILOSOFÍA DE DISEÑO DE UN REFUERZO

Las fibras de carbono tienen una alta resistencia a las altas temperaturas (más de 600ºC). Sin embargo, las resinas epoxi tienen el punto de transición vítrea entre los 60-100ºC, dependiendo del fabricante.

Debido a la influencia de la temperatura en los refuerzos que utilizan una interfície de resina para su colaboración resistente, existen dos posibilidades de dimensionar un refuerzo:

1. Garantizar un coeficiente de resistencia residual mayor que 1 (resistencia del elemento / esfuerzo aplicado, ambos en ELS). En este caso, garantizamos que ante una eventual pérdida del refuerzo en caso de incendio, el tiempo de resistencia al fuego estará únicamente determinado por el recubrimiento de la armadura.
2. 
   Si el coeficiente de resistencia residual es inferior a 1, se deberá proteger el refuerzo frente a incendio para garantizar la resistencia al fuego según las normativas aplicables. En este sentido, deberá asegurarse que el adhesivo no alcance su temperatura de transición vítrea.

BASES PARA EL DISEÑO DE REFUERZOS

El estado inicial del elemento a reforzar puede requerir de algún tipo de reparación. Este deberá estar en perfectas condiciones cuando se vaya a aplicar el refuerzo y se deberá considerar en el diseño del refuerzo.

Los métodos de cálculo basados en los Estados Límite descritos en el Eurocódigo 2, así como en le EHE serán de aplicación en el diseño. Es importante conocer las leyes de esfuerzos de los diferentes estados de carga para evaluar el factor de seguridad residual y la sección requerida de refuerzo.

El dimensionamiento se basa en una sección transversal y en las prestaciones de los materiales principales de refuerzo (composite, hoja de fibra), descritos en las fichas técnicas del fabricante del sistema. Pero aplicando los factores de seguridad y tomando deformaciones de diseño (distintas de las características) descritos en la guía de diseño de refuerzo con materiales compuestos CEB-FIP.

REFUERZOS A FLEXIÓN

En los cálculos de un refuerzo a flexión se asumen una serie de premisas (ACI 440-2R):

1. Diseño basado en la sección existente (dimensiones, materiales,…)
2. Las deformaciones en el hormigón y refuerzo de fibra, son proporcionales a la distancia del eje neutro.
3. El refuerzo externamente adherido está perfectamente adherido al hormigón.
4. La deformación de cizalladura del adhesivo es despreciable ya que el espesor aplicado es mínimo.
5. La deformación máxima del hormigón comprimido es del 3,5‰ (EHE)
6. La contribución del hormigón a tracción es despreciable.

El refuerzo de fibra es perfectamente elástico hasta rotura.
La disposición de una sección de fibra de carbono, provoca una pérdida de la ductilidad del elemento. Por ello, la CEB-FIP recomienda asegurar que la deformación de diseño debe ser como mínimo del 5‰, en hormigones de tipo igual o inferior a C35/45. Por otro lado, los valores máximos recomendados de elongación de diseño llegan hasta el 7,5‰ (no se recomiendan valores superiores), según el estado de deformación del acero traccionado en el momento del refuerzo.

REFUERZOS DE CORTE

Frente a un estado nuevo de cargas que conlleve un refuerzo a flexión, es importante verificar al mismo tiempo la situación frente a esfuerzo cortante.

El refuerzo a cortante contribuye a modo de cerco externamente adherido, y absorbe los esfuerzos de tracción producidos en el alma del elemento.

El modo de cálculo es simple utilizando el método de bielas y tirantes. La contribución del refuerzo Vf es aditivo al sumatorio de contribuciones. Hay que tener en cuenta, la limitación de deformación de diseño (entorno al 4‰). La contribución es distinta según el tipo de disposición. En este sentido, el mayor refuerzo se obtiene con una disposición que envuelva por completo el elemento mientras que el mínimo con una disposición a doble cara.

Otro objetivo del refuerzo es interceptar las fisuras diagonales que se generan en este tipo de esfuerzos, en dirección de las bielas de compresión, disponiendo dichos refuerzo en la dirección de los tirantes. La separación entre bandas de refuerzo está limitada a un máximo para tal fin.

REFUERZOS A CONFINAMIENTO

Este tipo de refuerzos se realiza para elementos sometidos a compresión a fin de mejorar su comportamiento frente a seísmos (mejorar su ductilidad) o bien aumentar la capacidad portante.

El zunchado con materiales basados en fibra de carbono, reduce la expansión lateral del elemento cuando este está en compresión, llegando a un estado multiaxial de compresión. Un aumento de la capacidad portante de un elemento sometido a compresión es mayor cuanto menos es la ductilidad del refuerzo. Por esta razón, los refuerzos en base a fibra de carbono son muy indicados en estos casos gracias a su alto módulo elástico, en comparación con el del acero, y su baja fluencia.

Tomar una deformación de diseño óptima es crucial tanto en este tipo de refuerzos como los demás. Ello es porque en una elongación del refuerzo mucho menor que la característica ya se produce la rotura del refuerzo. Al requerir ductilidades relativamente bajas, se suele recomendar deformaciones de diseño no superiores al 5‰.