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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.15 n.6 La Serena  2004

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642004000600004 

 

 

Información Tecnológica-Vol. 15 N°6-2004, págs.: 23-28

MATERIALES

Estudio Experimental de Piezas Lineales de Hormigón Reforzadas con Fibras de Carbono

Experimental Study of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Carbon Fibers

M. Valcuende (1), J. Benlloch (1) y C. Parra (2)
(1) Depto. de Construcciones Arquitectónicas, Universidad Politécnica de Valencia, Camino de Vera s/n, 46022 Valencia-España.
(2) Depto. de Estructuras y Construcción, Universidad Politécnica de Cartagena, Antiguo Hospital de Marina, Calle Doctor Fleming s/n, 30202 Cartagena-España. 


Resumen

Se ha estudiado el comportamiento de seis vigas reforzadas simultáneamente con láminas y tejidos de fibra de carbono. Se analiza, para este tipo de refuerzos, la validez de dos de los métodos de cálculo posiblemente más utilizados. En ambos métodos se plantean  las ecuaciones de equilibrio de fuerzas y momentos, pero se introducen suposiciones diferentes: i) el acero tiene suficiente capacidad plástica para no romperse y ii) el agotamiento se produce siempre por rotura de la lámina. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que refuerzos de láminas y tejidos de fibra de carbono influyen notablemente sobre las piezas, mejorando su capacidad portante y modificando su comportamiento estructural en cuanto a rigidez y ductilidad.


Abstract

A study on the behaviour of six beams reinforced with carbon fiber laminates and fabrics was done. The validity of the two most commonly used methods of evaluating the effects of these reinforcements was analyzed. Both methods propose equilibrium equations  based on forces and moments, although introducing two different suppositions: i) that the steel posesses enough elasticity to avoid breakage, and ii) failure is always produced by the breakage of the laminate. The results obtained demonstrate that carbon fiber laminates and fabric reinforcements  have notable influence on the pieces, improving their loading capacities and modifying their structural behavior regarding stiffness and ductility

Keywords:  concrete beams, carbon fiber laminates, structural properties, stiffness, ductility


 

INTRODUCCIÓN

El refuerzo de estructuras de hormigón mediante polímeros reforzados con fibras de carbono tiende a sustituir a sistemas de intervención más tradicionales, como el encolado de bandas de acero. Aun cuando se han realizado grandes avances en el dimensionamiento de piezas de hormigón armado, los métodos encaminados a determinar el comportamiento de estructuras reforzadas con estos nuevos materiales ha evolucionado más lentamente. En este sentido se explica las dificultades que entraña este tipo de actuaciones que obligan al profesional a tener que adoptar soluciones técnicas que, a menudo, no están amparadas por las instrucciones y códigos actuales.

De hecho, aunque los primeros estudios con este tipo de refuerzos datan de los años 80, son todavía muy pocos los códigos técnicos que existen en la actualidad, siendo todos ellos de muy reciente publicación (F.I.B., 2001; A.C.I., 2002; A.I.J., 2002); no obstante, hay alguno más en fase de aprobación, como es el caso del Código Suizo sobre refuerzos adheridos a la superficie de hormigón (Vogel y Ulaga, 2003). Ante esta falta de referencias, los técnicos tienen que recurrir normalmente a los modelos de cálculo proporcionados por los fabricantes de fibras de carbono.

En general, estos métodos suelen ser adaptaciones de los métodos tradicionales de cálculo para estructuras de hormigón armado en los que, además de introducir coeficientes de seguridad adicionales para tener en cuenta las incertidumbres de cálculo y la pérdida de ductilidad de las piezas, se suelen adoptar las siguientes simplificaciones: se acepta la hipótesis de Bernouilli según la cual las secciones planas permanecen planas después de la deformación (es decir, se acepta una ley lineal de deformaciones), los diagramas tensión-de-formación del hormigón y del acero son los dados por los códigos convencionales, se considera un comportamiento elástico de la lámina hasta la rotura, se desprecia la resistencia a tracción del hormigón y, finalmente, se supone que no existe deslizamiento relativo entre la lámina y el hormigón.

Por lo que respecta a los métodos de cálculo proporcionados por las firmas comerciales, en un trabajo de investigación reciente (Parra et al., 2002) se ha observado que algunos de ellos pueden dar, en determinadas circunstancias, resultados del lado de la inseguridad.

Otra de las grandes dificultades que se plantea con este tipo de refuerzos es que en muchas ocasiones no se alcanza la rotura por flexión de las vigas, pues suelen darse fallos de adherencia que generan un agotamiento prematuro y frágil de las piezas, tanto cuando la intervención se realiza con láminas (Ritchie et al., 1991; Grace, 2001; Grace et al., 2002), como cuando se realiza con tejidos (Grace et al., 1999; Bencardino et al., 2002).

Así pues, el objetivo de este trabajo ha sido doble. Por un lado, estudiar el comportamiento de vigas reforzadas con láminas de fibra de carbono en las que se ha mejorado las condiciones de anclaje del refuerzo mediante tejidos del mismo material y, por otro lado, analizar, para este tipo de intervenciones, la bondad de dos de los métodos de cálculo posiblemente más utilizados por los técnicos y a los que se ha denominado métodos I y II, cuyas características se pueden encontrar en las referencias SIKA (1999) y Bettor (2000) respectivamente.

 

METODOLOGÍA

De acuerdo con los objetivos señalados en el apartado anterior, a continuación se describe el procedimiento seguido para analizar el comportamiento de las vigas. Para ello se han fabricado 6 vigas con dos tipos de armado distintos (tipos A y B) de acero B-500 SD y se han sometido a flexión hasta alcanzar la rotura (Tabla 1, Fig. 1).

Con el objeto de comprobar la eficacia del refuerzo a flexión en el caso habitual de piezas que presentan simultáneamente deficiencias frente a esfuerzos normales y tangenciales, la mitad de las vigas (tipo A) se han fabricado sin armadura transversal. En las otras tres (vigas tipo B), se han colocado estribos de 6 mm cada 10 cm para evitar la rotura por esfuerzo cortante (Fig. 1). 

El refuerzo se ha efectuado en la cara de tracción con una lámina tipo SikaCarbodur S512, cuyo comportamiento es elástico hasta rotura, con una resistencia a tracción de 2.800 MPa, un alargamiento en rotura del 1,7 % y un módulo de deformación de 165.000 MPa. Tras la colocación de la lámina, y con el objeto de reforzar frente a esfuerzo cortante las vigas tipo A y mejorar las condiciones de anclaje de todas las vigas, los extremos de las piezas se han revestido con un tejido de fibras de carbono (Sikawrap 230 C).

 

Tabla 1: Características de las vigas.

Viga

fck

(MPa)

Carga  rotura

(kN)

Tipo de refuerzo

A1

A2

A3

40,56

31,53

68,51

68,08

No

Lámina+Tejido

Lámina+Tejido

B1

B2

B3

38,24

58,88

83,03

78,94

No

Lámina+Tejido

Lámina+Tejido

 

Fig.1: Geometría de las vigas.

 

DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS

Comportamiento estructural y tipo de rotura

En las vigas sin reforzar, la rotura se ha producido según lo esperado: por cortante, en el caso de la viga A1, y por flexión, en el caso de la viga B1 (aplastamiento de la cabeza de hormigón comprimido y fisuración importante de la zona traccionada).

Por lo que respecta a las vigas reforzadas, el tipo de refuerzo efectuado ha influido notablemente sobre las piezas, mejorando su capacidad portante, modificando su comportamiento estructural y cambiando la forma de agotamiento.

a)  Capacidad portante

En todos los casos analizados se ha mejorado la capacidad portante de las piezas en relación con las vigas patrón (Tabla 1, Figura 2), siendo esta mejora del 117,29 % y del 115,92 %, en las vigas A2 y A3 y del 41,02 % y del 34,07 %, en las vigas B2 y B3, respectivamente.

Ahora bien, el incremento tan sustancial de resistencia que experimentan las vigas tipo A no es debido a la lámina sino, fundamentalmente, al incremento de resistencia a esfuerzo cortante aportado por el tejido de fibra de carbono, pues se trata de vigas sin armadura transversal. En cualquier caso, analizado cada grupo de vigas por separado, los resultados que se han obtenido son bastante homogéneos.

b)  Comportamiento estructural

El aspecto más reseñable que presentan las vigas reforzadas respecto de las vigas patrón es un incremento de la rigidez. En este sentido, tomando como referencia la pendiente de las curvas carga-flecha recogidas en la Figura 2, se observa que para niveles moderados de carga (del orden del momento de fisuración) el comportamiento de todas las vigas es muy similar, aunque algo mejor el de las vigas reforzadas. Teóricamente estas diferencias deberían de ser del 4,6 % (incremento del momento de inercia debido a la lámina), si bien, aunque posibles, experimentalmente son difíciles de estimar ya que durante la fase inicial de carga hay ciertas imprecisiones en los resultados que proporciona la prensa.

No obstante, para niveles superiores de carga las vigas reforzadas presentan menores de formaciones, siendo el incremento de rigidez estimado respecto de las vigas patrón del orden del 25 % en la viga A2, del 22 % en la A3, del 19 % en la B2 y del 24 % en la B3. Aunque en la línea, estos valores son ligeramente inferiores al 30 % que es el valor que teóricamente se obtiene al calcular la relación entre el de momento de inercia de la sección homogeneizada y fisurada de las piezas reforzadas y las no reforzadas.

Fig. 2: Curvas carga-flecha de las vigas tipo A y B.

 

En cuanto a la ductilidad, las vigas reforzadas, incluso las que no disponían de armadura transversal, han presentando un buen comportamiento. Ello es seguramente debido al tejido compuesto de fibra de carbono colocado en los extremos de las piezas, ya que, generalmente, en las vigas reforzadas sólo con láminas de fibra de carbono es difícil alcanzar la rotura por flexión, pues suelen darse fallos de adherencia que generan un agotamiento prematuro y frágil de las piezas (Ritchie et al., 1991; Grace, 2001; Grace et al., 2002).

Así pues, el tejido ha actuado de dos formas; por un lado, como armadura transversal y, por otro, mejorando las condiciones de anclaje de la lámina. No obstante, a pesar del SikaWrap, la rotura de las piezas se ha producido en los cuatro casos por un fallo de anclaje de las láminas, si bien, una vez destruida la adherencia entre el hormigón y la lámina, esta última sigue adherida al tejido (Fig. 3), actuando a modo de tirante y dotando así a las piezas, todavía, de una importante capacidad portante y de una cierta ductilidad (Fig. 2). En todos los casos, el colapso definitivo de las vigas no se dio hasta que no se produjo la rotura del tejido.

c)  Tipo de rotura

El agotamiento de las vigas se ha producido por un fallo de anclaje de la lámina y por deslaminación causada, en casi todos los casos, por las fisuras de flexión. No obstante, aunque existe un agotamiento prematuro, prácticamente se debe de haber alcanzado la capacidad resistente a flexión, pues las piezas presentan claros signos de agotamiento por flexión, con aplastamiento de la cabeza de hormigón comprimido y fisuración importante de la zona traccionada (Fig. 4).

Validez de los métodos de cálculo

Aunque no se ha alcanzado la plena resistencia a flexión de las vigas, el momento teórico de agotamiento por deslaminación propuesto por el método de cálculo I (sin tener en cuenta los coeficientes de seguridad) es superior en los 4 casos analizados al momento teórico de agotamiento por flexión.

Aplicación del método de cálculo I

Para el cálculo del momento de agotamiento, se establecen las ecuaciones de equilibrio de fuerzas y momentos y de compatibilidad de deformaciones en función de los dos tipos de agotamiento de la pieza que considera este método que pueden producirse: rotura de la lámina de refuerzo y agotamiento por deformación excesiva del hormigón. Es decir, se considera implícitamente que el acero tiene suficiente capacidad plástica para no romper y, por lo tanto, no aplica uno de los criterios de rotura establecidos normalmente en los códigos para estructuras de hormigón armado como es el de rotura por deformación excesiva del acero. Paralelamente, se adopta una simplificación de cálculo del lado de la seguridad y es considerar que no existe armadura de compresión.

 

Fig. 3: Fallo de anclaje y rotura del tejido.    

 

De los datos de la Tabla 2 se desprende que el peor resultado se obtiene con las vigas A2 y A3, es decir, cuando no existe armadura de compresión. No obstante, aunque el método puede dar resultados del lado de la inseguridad, el error disminuye, observándose una tendencia a proporcionar resultados conservadores, tanto más cuanto mayor sea la cuantía de armadura de compresión, pues el incremento real de capacidad portante que se produce con dicha armadura no se considera en los cálculos.

 

Fig. 4: Agotamiento por flexión.

 

Tabla 2: Comparación entre valores experimentales y valores teóricos.

Viga

Momento de agotamiento (kN·m)

eL

Experimental

Método I

Método II

A2

13,70

16,27

24,57

5,10 10-3

1,19

1,79

A3

13,62

16,34

24,61

5,15 10-3

1,20

1,81

B2

16,61

15,72

23,66

4,87 10-3

0,95

1,42

B3

15,79

15,54

23,50

4,80 10-3

0,98

1,49

Aplicación del método de cálculo II

En este método se plantean igualmente las ecuaciones de equilibrio de fuerzas y momentos, pero se supone que el agotamiento se produce siempre por rotura de la lámina y que tanto las armaduras de compresión como las de tracción están plastificadas.

Tal y como puede observarse en la Tabla 2, en todos los casos analizados las discrepancias que se obtienen con los valores experimentales son mayores y de cierta importancia (del 81% en la viga A3). Estas discrepancias surgen fundamentalmente como consecuencia de los valores de la tensión de trabajo de las armaduras y, especialmente, de la lámina, L, que se han adoptado en los cálculos, pues de hecho, según lo señalado en el párrafo anterior, en este método hay que considerar que tanto las armaduras como el refuerzo trabajan al máximo. Es decir, no se tiene en cuenta, por ejemplo, que el comportamiento de la lámina es elástico hasta rotura y que, por lo tanto, L sólo es igual a fLd si el agotamiento de la pieza se produce por rotura de la lámina. En consecuencia, salvo que se de esta última situación, habría que tomar L = L·EL.

Así pues, al ser en todos los casos analizados la deformación de la lámina muy inferior a la de su rotura, el método tiende a sobrestimar mucho la contribución de la lámina y, por tanto, también el momento de agotamiento.

 

CONCLUSIONES

El refuerzo efectuado ha influido notablemente sobre las vigas, mejorando su capacidad portante y modificando su comportamiento estructural (rigidez y ductilidad). Por lo que respecta a los métodos de cálculo, salvo para cuantías de armadura de compresión prácticamente nulas, el método I tiende a proporcionar resultados conservadores, tanto más cuanto mayor sea dicha cuantía. Asimismo, se confirma la falta de fiabilidad del método II cuando la deformación de la lámina en el instante de agotamiento es pequeña.

En cualquier caso, y por lo que a los modelos de cálculo hace referencia, dado el escaso número de muestras utilizadas en este trabajo sería conveniente realizar una campaña de ensayos más amplia en la que, partiendo de un determinado refuerzo, se fuese variando la cuantía de armadura de compresión. De esta forma, no sólo se cuantificaría la bondad del método I, sino que además, al ir modificándose la profundidad de la fibra neutra en el agotamiento, el alargamiento de la lámina en el instante de la rotura también sería distinto, lo que permitiría una mejor valoración de las posibles deficiencias del método II.

 

AGRADECIMIENTOS

Los autores de este trabajo agradecen a los técnicos de laboratorio R. Calabuig y J. Martínez su desinteresada colaboración en la realización de los ensayos.

 

REFERENCIAS

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