CRITERIOS DE DISEÑO PARA EL REFUERZO DE ESTRUCTURAS

CON MATERIALES COMPUESTOS CON FIBRA DE CARBONO.

CASOS PRÁCTICOS

María Dolores Gómez Pulido*, Juan A. Sobrino Almunia**

RESUMEN

En la presente comunicación se describe un sistema de refuerzo de estructuras de hormigón aplicandomateriales compuestos (M. C.), constituidos por fibras de carbono y resina epoxídica, en forma delaminados adheridos externamente a la estructura. Junto a una breve descripción del concepto de M. C.y sus propiedades, se resumirán los criterios de diseño empleados en el proyecto de las estructurasreforzadas con la mencionada tecnología (particularizados, fundamentalmente, para los laminadosunidireccionales constituidos por fibras de carbono y resina epoxídica), así como los diversos procesosconstructivos que se llevan a cabo según el tipo de M. C. aplicado en el refuerzo. Al final de trabajo seexponen diversas realizaciones y las principales conclusiones que se han obtenido a través de los refuer-zos mediante laminados compuestos llevados a cabo.

1. INTRODUCCIÓN

La aplicación de laminados compuestos de fi-bra de carbono y resina epoxídica en el refuer-zo de estructuras de hormigón, metálicas, demadera, de piedra, etc. comienza a constituir,en la presente década, una auténtica alternati-va al sistema de refuerzo convencional medianteencolado de chapas de acero (fundamentalmen-te en refuerzos a flexión), tanto por sus mejo-res prestaciones mecánicas específicas y resis-tencia a la corrosión, como por los ahorros ob-tenidos en el proceso total del refuerzo, gra-cias a la ligereza que presentan los materialescompuestos, facilitando su transporte, manejoy puesta en obra, empleando medios auxiliaresligeros durante cortos periodos de tiempo.

La primera aplicación en España del presentesistema de refuerzo se llevó a cabo en el puen-

te del Dragó (Barcelona, 1.996) . A nivel mun-dial, la primera estructura mediante láminasencoladas de materiales compuestos con fibrade carbono data de 1.991: el puente Ibach, enLucerna. Tan sólo en Suiza y Alemania, el nú-mero de realizaciones de refuerzos de estruc-turas (tanto puentes como edificios) con lámi-nas compuestas encoladas asciende a más dedoscientas cincuenta, existiendo más de unmillar mundialmente (concentradas, funda-mentalmente, en Suiza, Alemania, Japón,EE.UU. y Canadá) , Meier (92). En España,en la actualidad, podemos encontrar varias de-cenas de realizaciones.

2. MATERIALES COMPUESTOS

El término material compuesto se reserva paraaquellos materiales bifásicos (fibra + matriz)fabricados expresamente para mejorar los va-

Ingeniero de Caminis, Canales y Puertos (UPM), Master en Métodos Numéricos para el Cálculo y Diseño en Ingeniería(UPC), España. e-mail: dpulido@pedelta.es

Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos (UPC), España. e-mail: jsobrino@pedelta.es

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lores de las propiedades que los materiales cons-tituyentes presentan por separado, exhibiendouna interfaz identificable entre ellos. Si bien lavariedad de los mismos es enorme, se cumplecomo denominador común la existencia de unelemento fibroso, que aporta rigidez y resis-tencia, con un ratio longitud/espesor claro, yuna matriz (generalmente resina) que configu-ra geométricamente el material compuesto.Normalmente, la matriz es flexible y poco re-sistente, con la misión principal de transmitirlos esfuerzos de unas fibras a otras, y entre ellasy la superficie adyacente, además de protegera las fibras de posibles daños mecánicos y am-bientales.

Las fibras empleadas pueden estar constitui-das por carbono, vidrio, boro, aramida, metal,cerámica, etc. La naturaleza de las matricestambién puede ser muy variada: orgánicas, mi-nerales, metálicas, cerámicas, etc. Referente alas aplicaciones en la ingeniería civil, el merca-do de los materiales compuestos lo conforman,mayoritariamente, las matrices orgánicas y lasfibras de carbono, vidrio y aramida.

Como propiedades generales podemos desta-car: elevadas resistencias mecánicas (compor-tamiento lineal hasta rotura), resistencia a lacorrosión, resistencia a los ataques químicos,ligereza, presentación en cualquier longitud(eliminación de juntas), muy buen comporta-miento a fatiga, buenas propiedadesdieléctricas, etc.

Cuando las fibras, dentro del material compues-to, se encuentran orientadas en una única di-rección (presentación industrial conocida comoroving), nos encontramos con un materialanisótropo, obteniéndose la máxima resisten-cia y módulo en la dirección del eje de las fi-bras. Una disposición del refuerzo en dos di-recciones (presentación denominada tejido)produce diferentes resistencias según el ángu-lo que formen las fibras. En el caso de que lasfibras se encuentren orientadas en todas direc-ciones (presentación denominada mats), elcomportamiento del compuesto es isótropo,

reduciéndose sustancialmente los valores de laresistencia en relación con los obtenidos en loscompuestos tipo roving según la dirección delas fibras.

La forma de los materiales compuestos másusual empleada en aplicaciones estructuralesse denomina laminado, constituido por variaslaminas de fino espesor. Dependiendo de laorientación de las fibras en cada lámina y de lasecuencia de las mismas dentro del laminadose puede generar un amplio rango de propie-dades mecánicas y físicas.

Las propiedades mecánicas del material com-puesto, en cualquier dirección, dependen delporcentaje de fibras, en volumen, orientadasen la misma dirección, así como de las propie-dades mecánicas de las fibras, de la longitud,forma y composición de las fibras, de las pro-piedades mecánicas de la resina y de la adhe-rencia entre las fibras y matriz. Dichas propie-dades dependen sobremanera de la direcciónde medida en relación con la dirección de lasfibras. Las propiedades de la matriz influyenen la resistencia a cortante del material com-puesto, así como en las propiedades químicas,eléctricas y térmicas del compuesto, ademásde dar soporte lateral contra el pandeo de lasfibras bajo solicitaciones de compresión,Miravete (95).

Figura 1 Densidades y curvas tensión — deforma-ción (ensayo uniaxial), para diversas fibras sintéti-cas y aceros de armado y pretensado.

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Para poder apreciar esta variabilidad de las pro-piedades de los materiales compuestos en fun-ción del tipo de fibra y de resina empleados, seadjunta en la figura n° 1 la relación tensión -deformación (ensayo uniaxial) para diversas fi-bras, así como para el acero de armado ypretensado; constatándose el carácter comple-tamente lineal entre tensiones - deformacio-nes de los materiales compuestos llevados has-ta rotura.

La mayor parte de los materiales compuestospresentan resistencias estáticas a largo plazosignificativamente inferiores a las observadas acorto plazo, con fracciones aproximadas al 30%,50% y 80% para el vidrio, aramida y carbón,respectivamente. Estas pérdidas de resistencia,experimentadas en los materiales com-puestos ante carga sostenida (creep rupture ostatic fracture), pueden acelerarse ante condi-ciones ambientales adversas (presencia de agua,soluciones alcalinas o ácidas, radiacionesultravioletas, etc.)

Las características mecánicas de las fibras decarbono no se alteran ante la presencia de hu-medad, disolventes, ácidos o bases, agentes at-mosféricos, etc., permitiendo un contacto di-recto con el hormigón durante largos periodosde tiempo. Las fibras de aramida, si bien resis-ten la presencia de determinados disolventes yagentes químicos, se ven afectadas por la pre-sencia de ácidos y bases, humedad, etc., expe-rimentando una disminución de sus caracterís-ticas resistentes en contacto con el hormigón.Las fibras de vidrio se deterioran al entrar encontacto directo con el hormigón y, aunque lamatriz de resina del material compuesto po-dría protegerlas químicamente, no siempre esel caso. Las fibras más vulnerables a las radia-ciones ultravioletas son las de aramida.

3. REFUERZO DE ESTRUCTURAS DE

HORMIGÓN

De entre los diversos métodos empleados enel refuerzo de estructuras, el encolado de cha-pas de acero mediante adhesivo estructural

Facultad de Ingeniería

constituye uno de los sistemas más ampliamen-te utilizado y de mayor eficacia (fundamental-mente en zonas traccionadas de refuerzos aflexión), sobre todo desde el desarrollo expe-rimentado en los últimos años en las técnicasadhesivas

A pesar de la eficacia demostrada en el refuer-zo mediante láminas encoladas de acero, nosencontramos con los siguientes incovenientesmanifiestos:

• Las láminas de acero constituyen elementospesados en su manejo, transporte y ejecu-ción, limitando las longitudes máximas delas chapas a 6 – 8 metros (surgiendo la pro-blemática de las juntas). Debido a su eleva-da densidad, requieren medios auxiliaresimportantes para su apuntalamiento, emplea-dos durante largos plazos de tiempo, pudien-do provocar molestias por los cortes de trá-fico producidos o por la ejecución de obrasen edificios en funcionamiento.

• Corrosión de la lámina de acero (afectandoa la adherencia entre hormigón y chapa) .

• Debido a la gran rigidez que presentan laschapas de acero, se requiere una elevadaplaneidad en las superficies de encolado.

Con la necesidad de solventar las deficienciaspresentadas en la utilización de chapas metáli-cas, y ante el elevado y creciente número deestructuras existentes que requieren ser refor-zadas, se desarrolló un sistema alternativo derefuerzo a flexión a base de materiales com-puestos.

La resistencia a la corrosión de los laminadoscompuestos evita que la adherencia entresustrato (hormigón, madera, etc.) y lámina su-fra alteraciones, así como su reducida densi-dad frente al acero permite una mayormaniobrabilidad y facilidad en la ejecución,requiriéndose medios auxiliares ligei con pla-zos de puesta en obra muy reducidos (las den-sidades de los diversos materiales compuestos

^

pueden apreciarse en la figura 1). Esta mayorligereza de los materiales compuestos permitesu transporte en rollos de hasta 300 m de lon-gitud, evitando la problemática de las juntas.Como inconvenientes más representativos po-demos enunciar el alto precio del material.

Gracias al empleo de medios auxiliares más li-geros y durante un plazo de tiempo menor, sepueden llegar a obtener ahorros de hasta un25% en el proceso total del refuerzo, compen-sando, de este modo, el mayor precio de losmateriales compuestos frente al del acero.

4. CRITERIOS DE DISEÑO

Como recomendaciones generales en el diseñode refuerzos de estructur is, tanto con mate-riales compuestos como con materiales másconvencionales, podemos destacar las siguien-tes: evitar el colapso de la estructura en el casode eliminación del refuerzo (accidente, vanda-lismo, etc.); contemplar el estado previo dedeformaciones en la estructura antes de refor-zar (redistribución de esfuerzos a nivel de es-tructura y seccional) y estudio de la idoneidaddel refuerzo seleccionado.

El esquema general de cálculo comprenderíala comprobación de la seguridad de la estruc-tura sin reforzar (flexión, cortante, etc.), veri-ficación de la seguridad de la estructura refor-zada y verificación de los Estados Límites deServicio.

La fiabilidad de una estructura reforzada conmateriales compuestos depende sobremaneradel tipo de material compuesto empleado (lascaracterísticas mecánicas de los mismos pue-den variar con el tiempo, debido a fenómenostales como el envejecimiento, etc.), la solicita-ción de trabajo, condiciones ambientales a lasque se verá sometida, etc., resultando comple-ja la extrapolación de los criterios de diseño yde los coeficientes de seguridad para los dife-rentes materiales compuestos, requiriéndose unestudio particular y riguroso para cada tipo dematerial y aplicación del mismo.

Las diferentes características mecánicas a lar-go plazo que presentan los diversos materialescompuestos provocan serias restricciones en lastensiones de trabajo, pudiendo diferir conside-rablemente respecto a las propiedades a cortoplazo, con la consiguiente pérdida de capaci-dad portante de la estructura. Como conse-cuencia, se debe limitar la tensión admisiblede trabajo para garantizar un nivel de seguri-dad adecuado. En la tabla 1, Malvar (98), seresumen los coeficientes de minoración de laresistencia última sugeridos por distintos códi-gos o autores para diferentes tipos de materia-les compuestos (los coeficientes expuestos es-tán referidos a materiales compuestos en for-ma de barra, no de laminados, aunque el com-portamiento relativo entre los diversos mate-riales es similar), donde se evidencia la necesi-dad de no tomar las resistencias a corto plazocomo referencia en el diseño de estructurasreforzadas con materiales compuestos, sino laspropiedades a largo plazo que, como se consta-ta, son extraordinariamente dependientes deltipo de fibra empleada. El símbolo r, presenteen la tabla, representa la relación entre la cargapermanente y la sobrecarga de uso. GFRP,AFRP y CFRP hacen referencia a los materia-les compuestos constituidos por fibra de vidrio,aramida y carbono, respectivamente.

Tabla 1 Coeficientes de minoración de la resisten-cia última según distintos códigos y autores, toma-dos de Malvar (98).

CÓDIGO GFRP* AFRP* CFRP

Canadiense', r > 2 0.63 0.45 0.81

Canadiense', r ® V 0.54 0.40 0.68

Japonés' 0.54 0.61 0.61

Eurocódigo 1 0.30 0.50 0.60

Propuesto en Malvar (98) 0.25 0.40 0.64

t Documento provisional* Valores sin afectar por una eventual agresión deagentes químicos o ambientales

En la figura 2 se aprecian los diversos modosde rotura que se pueden experimentar en ele-

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Rasura a tanciJn del laminado2 Rotura por eu:T.pre+i<in el; el I:ortnitr.olt• 1'lasrlticac tilrl dci !;':eri, de armadot Rotura a Iracctan dcl

5: ltotora ¡nti• rlananar Lnuatacio.t. Rulura dc la pehcule :;dhra%.:.

7 Rotura adherencia isuperficie t ! RI't^ Rotura adherencia (superlic ; c h:,r:nt olu

mentos estructurales reforzados con materia-les compuestos adheridos en zonas traccionadas(refuerzos a flexión).

Figura 2 Sección longitudinal de una viga reforzada con láminas de materiales compuestos. Modos derotura, Meier (92).

Los daños aquí señalados pueden conducir aroturas inmediatas del elemento o a roturaslocales con efectos negativos para su capacidadportante.

En el Centro de Investigación suizo EMPA sehan llevado a cabo (desde 1.985) de modo sis-temático ensayos de estructuras reforzadas conláminas de materiales compuestos con fibra decarbono, bajo solicitaciones estáticas y dinámi-cas y con diferentes condiciones climáticas,Kaiser (89). Los modos de rotura observadosfueron los siguientes:

• Rotura de la lámina (tipo 1 en la figura 2) alalcanzarse la resistencia a tracción de la mis-ma.

• Rotura en la zona de compresión del hormi-gón al superarse la deformación máxima acompresión (tipo 2).

• Rotura del acero al superarse su resistencia afatiga o al excederse la deformación defluencia (tipo 3).

• Desprendimiento de la lámina de materialcompuesto (tipo 4). Debido a un desplaza-miento vertical de la superficie inferior de la

viga provocado por irregularidades locales porinsuficiente preparación de la superficie y/oa desplazamientos relativos de las paredes delas fisuras por fuerzas cortante, puede pro-ducirse la deflexión de la lámina; provocan-do grandes esfuerzos de tracción perpendi-cular a la lámina que podrían fisurar hori-zontalmente el hormigón y desprender la lá-mina en toda su longitud.

• No se presentó ninguna rotura del adhesivoa temperatura ambiente.

Las roturas tipo 1, 2 y 4 son graves por la rotu-ra súbita que se puede producir en el elemen-to, mientras que los modos 5 a 8 pueden pro-vocar una rotura local que, eventualmente,puede ser reparada.

4.1 Dimensionamiento a flexión

En el diseño de refuerzos a flexión se conside-ran, fundamentalmente, los mismos principiosque se emplean en refuerzos mediante láminasde acero: equilibrio de la sección, compatibili-dad de deformaciones e Hipótesis Navier-Bernouilli (secciones planas permanecen pla-nas después de la deformación.

Los modelos constitutivos del hormigón y elacero son los comúnmente empleados (Códi-go Modelo, Eurocódigos, etc.), mientras quepara el material compuesto se utiliza una rela-ción totalmente lineal entre tensiones y defor-maciones hasta rotura. Si bien se trata de unmétodo simplificado, los resultados obtenidosconcuerdan con suficiente exactitud con losresultados experimentales.

Con objeto de obtener una respuesta seccionaldúctil, así como una mayor resistencia a flexión,se debe diseñar el refuerzo de modo que la ro-tura de la lámina de material compuesto seproduzca durante la plastificación del acero yantes de que el hormigón alcance la rotura porcompresión.

Para el caso concreto de refuerzos de estructu-ras mediante laminados unidireccionales (tiporovings) de fibra de carbono con resina epoxí-

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dita, se exponen a continuación los principalescriterios empleados en el diseño del refuerzo,basados en experimentos realizados en los la-boratorios del EMPA, Kaiser (89) y Deuring(93):

• Los anchos efectivos de la sección, donde sepuede considerar la colaboración del lami-nado compuesto con el resto de la estructu-ra, se detallan en la figura 3.

Figura 3 Determinación de anchos eficaces en sec-ciones reforzadas.

donde:

h: canto de la estructura, x: bloque de compresio-nes. s,: separación entre ejes de laminados, b L :a n -cho del laminado. M 5 : momento resistente de unasección de ancho s ^ M: momento resistente de la,, zona reforzada. M 51 : momento resistente de la zonano reforzada

• Con objeto de considerar el efecto de lafisuración del hormigón se define un coefi-ciente de unión, k, que relaciona los valoresmedios de las deformaciones con los valoresmáximos en el acero y laminado, afectandoa la respuesta última seccional. Como se de-talla en la figura 4, mientras en el hormigónfisurado a tracción se puede considerar cons-tante la deformación en el hormigón, las de-formaciones en el acero y en los laminadoscompuestos oscilan alrededor de un valor

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medio (zona entre fisuras), experimentandolos valores máximos en las zonas próximas alas fisuras, traduciéndose en puntas en lastensiones de trabajo. Como los diagramasmomento – curvatura representan la respues-ta estructural de la sección en valores me-dios, la estructura no se agotará cuando sealcancen dichos valores, sino antes, debidoal incremento de tensiones que se produceen las fisuras (el plano de deformacionesmuestra los valores medios de las deforma-ciones en el acero y laminado, mientras quelas tensiones y esfuerzos se refieren a la sec-ción fisurada, donde se producen los valoresmáximos).

ción de deformaciones en zona

donde:s : separación media de lisuras. t:: deformación mediadel hormi gón. e : deformación media del acero entrefisuras. : deformación media del laminado entrelisuras. r. : deformación máxima del acero entrefisuras, e : deformación máxima del laminado entl re,

Los diferentes valores de k se expresan a con-tinuación:

U N;'Jt: HSIDND DE LO S .AND F;.

Figura 4f isurada.

a) aparición de fisurapor flexión.

b) Deslaminación delhormigón al superar-se el cortante crítico.

c) Deslaminación delhormigón al superarse elcortante crítico.

Laminado

91

Acero

0.9- LO para u , _> #

0.8 – 0.9 para <

0.6-0.8 para

4.2 Dimensionamiento por deslaminación

Como se describió en el modo de rotura tipo 4de la figura 2, el colapso de la estructura pue-de venir determinado por el desprendimientodel laminado (deslaminación). En la figura 5 sedetalla gráficamente el proceso de deslamina-ción: las fisuras (de ancho w) producidas porsolicitaciones de flexión, en zonas traccionadas,pueden experimentar un desplazamiento ver-tical relativo, d, entre los labios de la fisura porsolicitaciones de cortante, sufriendo el lamina-do ese mismo desplazamiento vertical que, alestar traccionado ; experimenta una fuerza detracción perpendicular a la lámina, pudiendoprovocar en el hormigón una fisura horizontalque se puede extender hasta el comienzo de lamisma, desprendiéndola.

A continuación se adjunta una fórmula empíri-ca propuesta para determinar la fuerza cortan-te que puede provocar el desprendimiento dela lámina (fenómeno de deslaminación), obte-nida a partir de ensayos realizados en los labo-ratorios suizos EMPA, haciendo notar que,como en el caso del apartado de dimensiona-miento a flexión, dichos resultados sólo sonaplicables para el caso concreto de laminadosunidireccionales con fibra de carbono y resinaepoxídica, con un 60% en volumen de fibra.Dicha fórmula sólo puede emplearse en ele-mentos sometidos a carga uniforme, no siendoválida en casos donde se produzcan simutánea-mente grandes solicitaciones de momentosflectores v esfuerzos cortantes, tales como ele-mentos con grandes cargas puntuales o zonasde momentos negativos con grandes áreas de

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cortante (voladizos y zonas alrededor de co-lumnas).

Figura 5 Proceso cíe cleslarninacíón

I _ i

donde:

V^: cortante crítico de deslaminación. T :tensión cortante última del hormigón. b: anchode la viga o elemento. h: canto de la viga oelemento x: posición de la fibra neutra. ^rdeformación de la lámina. E A : módulo dedeformación y área del acero de refuerzo. E L AL:

módulo de deformación y área del laminado. x,constantes determinadas experimen-talmente

donde se tiene en cuenta la calidad del hormigón

Los valores de x y EL,,, se deben calcular en lasección con esfuerzo cortante máximo.

El primer sumando de la ecuación que deter-mina el valor de V A representa la transferenciade cortante en la zona de compresión del hor-migón, el segundo la transferencia c ` cortantepor la interfaz entre las paredes de la fisura

(efecto de encaje) y el tercero la transferenciade cortante debido a las fuerzas verticales en elacero de refuerzo y en el laminado provocadaspor el desplazamiento vertical d (efecto de ar-madura pasante). Todo ello se puede apreciaren el gráfico de la figura 6.

Los coeficientes de minoración, en este caso,son mucho mayores que los empleados para eldimensionamiento a flexión, debido a la faltade deformación plástica de la lámina de mate-rial compuesto, la variabilidad del sistema deejecución, el limitado número de ensayos dis-ponibles, etc. Como ejemplo, la normativa suizaSIA emplea un factor de minoración de 1.2 enel caso de dimensionamiento a flexión y de 1.7para el dimensionamiento por deslaminación.

Figura 6 Corla e crítico de desh nninacióu.

4,3 Dimensionamiento del anclaje

En estructuras reforzadas mediante láminasadheridas, se debe prestar especial atención alas tensiones rasantes en la interfaz hormigón –material compuesto y en los extremos de lasláminas.

Las características adherentes de estos refuer-zos dependen de numerosos factores: tamañoy tipo del refuerzo, condiciones del sustrato,coeficiente de Poisson, resistencia y confina-miento del hormigón, tipo de carga, efectosdependientes del tiempo, cantidad de recubri-miento, preparación del sustrato, tipo y volu-men de la fibra y de la matriz, etc. Debido aesta enorme variabilidad, no existen criterios

de diseño generales, por lo que se precisa unestudio particular de cada refuerzo, contrastan-do con los resultados experimentales aplicablesa cada caso.

En diversos refuerzos ejecutados se realizaronanálisis por elementos finitos en régimen detensión plana en las vigas reforzadas para esti-mar la longitud mínima de transferencia derasantes desde las láminas de materiales com-puestos hasta la superficie del hormigón, conobjeto de no superar las tensiones rasantes ad-misibles (la distribución tipo de esfuerzos cor-tante en la interfaz hormigón – laminado sedetalla en la figura 7, fallando el anclaje cuan-do la tensión rasante, t, transmitida al sustratosupera el valor admisible, t ). El modeloconstitutivo empleado en el material compues-to fue elástico lineal y en el adhesivo un mode-lo de daño isótropo escalar para poder repre-sentar el comportamiento de unión dúctil exis-tente entre el laminado compuesto y el hormi-gón.

En los laboratorios EMPA se ha investigado yensayado el anclaje de láminas CFRP. Si bienlas reglas de diseño prácticas no están disponi-bles en el momento presente, se recomienda,corn o criterio conservador, la aplicación de lasnormas alemanas aprobadas para el cálculo deláminas metálicas (basadas en investigacionesde Ramich), En dicha formulación, adaptada alas láminas CFRP, se tienen en cuenta las pro-piedades mecánicas del laminado, el módulode corte del adhesivo (factores, ambos, impor-tantes en la capacidad de transferencia de car-gas desde el laminado al sustrato de hormigón),etc.

uNI E HS DAD F. ,L.LOS ANDES9 2

T A

7°c, adra

Distancia al extremode la lámina

de ancla]s : anch

,ión de móximo e

IóIi17

rente última, según

^ coeficiente de segu-de la i k: tensión

za a anclar en la sec-ncho de una

sión adhe-a

i,: lo c

Figura 7 Distribución de esfuerzos rasantes en lantehormigón laminado a lo largo de la

A continuación se expone la expresión de lalongitud de anclaje mencionada, Schwegler

(9

zas para tejidos similares, tanto de carbonocomo de vidrio, las japonesas y canadienses, etc.

figura :. Aplic.zión • il, ; cor-pu tos, tipo

roving, como refuerzo a cortante en puentes. Colom-bia.

>500mm con YkZ1d(2)

4.5 Verificación de estados límitesde servicio

93

donde:

4.4 lliniensíot

El diseno de refuerzos a cortante se realizarápor analogía al del cálculo de hormigón arma-do. Ante una insuficiencia de armadura de es-fuerzo cortante en la estructura existente, in-crementos de sobrecargas, cambios de uso, etc.se pueden emplear materiales compuestos tan-to tipo roving como tejido (figura 5); garanti-zando en todo momento su anclaje y verifican-do que las tensiones rasantes transmitidas alhormigón sean inferiores a los valores admisi-bles.

Existen diversas formulaciones concretas paracada tipo de material ensayado, pudiendo apli-car las recomendaciones francesas para los te-jidos de carbono con resina epoxídica, las sui-

F a c u l t a d de Ingeniería

Los Estados Limites de Servicio de elementosestructurales reforzados mediante materialescompuestos se describen en términos de limi-taciones de flecha y de anchura de fisura. Exis-ten numere.- s formulaciones empíricas presen-

tes en la 1 : ! a para determinar el ancho defisura I i , o 1' a ligidez de este tipo de es-tructuras, dependiendo de numerososparámetros: módulo de deformación del rna-

compuesto, su sección y espesor, tipo y

espesor de resina empleada en la interfaz, etc.

Un criterio sencillo y conservador para verifi-car los Estados Límites de Servicio sería la apli-cación de los criterios usualmente aceptadospara el hormigón armado (los mecanismosadherentes que se desarrollan entre el acerointerior y el hormigón son menos eficaces quelos experimentados en los refuerzos mediantelaminados compuestos ) observ rndose en losúltimos una fisuración más distribuida y demenor ancho).

a cortante

5. EJECUCIÓN DE REFUERZOS CC`V F ATE-

RIALES COMPUESTOS

5.1 Preparación del sustrato de hormigón

El sustrato que recibirá las láminas de materia-les compuestos debe responder a determina-dos criterios de recepción geométricas, mecá-

físico y físico – químicas.

Con objeto de soportar los esfuerzos rasantestransmitidos al sustrato a través de la interfazhormigón – laminado compuesto, se recomien-dan sustratos de hormigón con resistencia ra-sante admisible de 1.5 MPa (o, en su defecto,hormigones con f > 20 MPa).

Los sustratos deben estar limpios de todo pro-ducto que pueda afectar a la buena adherenciadel material compuesto: pintura, grasa, agen-tes desencofrantes, cuerpos de tipo orgánico ovegetal, Para el caso concreto de los tejidos defibra de carbono (tipo TFC, etc,), su escasasensibilidad a la humedad permite que lossustratos se presenten ligeramente húmedos.

5.2 Ejecución de laminados tipo roving

Preparada la superficie del sustrato, se proce-de a aplicar un adhesivo adecuado y compati-ble con las láminas empleadas sobre la zona dehormigón que las recibirá, con un espesoraproximado de 1 mm, mediante espátulas. Parala colocación del mismo se deben respetar to-das las indicaciones específicas que el fabricantedel adhesivo exponga.

Seguidamente., se colocan las láminas sobre unamesa o tabla y se limpian de todo tipo de partí-culas y suciedades, aplicando el mismo adhesi-vo anterior sobre las láminas mediante espátu-la con un espesor de 1 – 2 mm. Dentro deltiempo abierto del adhesivo, según la tempe-ratura, se colocan las láminas sobre la superfi-cie de hormigón. Utilizando un rodillo, se pre-siona la lámina contra el adhesivo hasta que ésterebose por ambos lados de la lámina, eliminan-do las partes sobrantes.

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Por criterios estéticos (las láminas compuestascon fibras de carbono se presentan en colornegro) se pueden pintar las láminas del coloradecuado para hacer menos llamativa su pre-sencia,

La ejecución de este tipo de refuerzos se pue-de apreciar en las figuras 9 a 12.

Es importante resaltar que el plazo de tiempoempleado en todo este proceso descrito no su-pera las dos-tres horas, por lo que lo convierteen un sistema de refuerzo conveniente dondese produzcan interrupciones de tráfico.

Figura 9 Impregnación con resina de las laminas

cnntp°ifftas antes de sir '-olocc. íón, puente u° 6 dele :':gil Escorial. A1:..:.':

Figura 10 Medios auxiliares empleados (ligeros),

puente n° 6 del Enlace del Escorial, Madrid.

uNI, ^5^ . [OS ANDES

95

Figura 11 Colocación de las láminas sobre la es-tructura, puente del D v(5 , B zlona.

Figura 12 liniinacion del excedepuente n° ti del Enlace del Escorial, Madrid.

5.3 Ejecución de laeii •=Idos tipo tejidos

La ejecución de este tipo de refuerzos constade la aplicación de una primera capa de resinaepoxídica con medios que permitan la pene-tración de la misma a través de las irregularida-des del sustrato, asegurando así una buena im-pregnación.

El tejido de fibras de carbono debe aplicarsesobre la capa de resina humedecida, extendién-dose de un extremo al otro, verificando que noexistan pliegues ni que aparezca excesivamen-te estirada. Posteriormente se presiona sobrela resina, permitiendo que la resina impregneel tejido y la eliminación de eventuales burbu-jas de aire, mediante un rodillo.

Después de colocar el tejido se extiende unanueva capa de resina (llamada capa de cierre),aportando material epoxidico que permita im-

F a c u l t a d c7 e I n g e n i e r í a

pregnar el tejido. Esta capa debe aplicarseinmediantamente después de la colocación deltejido (en ningún caso, después de lapolimeralización de la resina). No es determi-nante que el espesor de la capa de cierre seaestrictamente uniforme, pues no afecta a laresistencia del refuerzo.

6. REALIZACIONES

A continuación se describen diversas estructu-ras reforzadas con laminados de materialescompuestos con fibra de carbono y resina epoxí-dica.

6.1 Puente del Dragó, Barcelona

Se expone, resumidamente, la primera estruc-reforzada con laminados de materiales

compuestos (fibra de carbono y resina epoxí-dica) en España: el puente del Dragó, en Bar-celona.

La estructura está constituida por dos tablerosde vigas de cante constante. El esquema está-tico longitudinal de las estructuras se corres-ponde con el de un tablero continuo biapoyado,con dos tramos de luz aproximadamente simi-lares (unos 12 m). Las 15 vigas que conformanel tablero son de hormigón armado y seccióntransversal rectangular, conectadas por un for-jado de compresión de 20 cm de espesor ymediante traviesas a tercio de la luz.

Como consecuencia del impacto de un vehícu-lo en la viga de borde, la totalidad de la arma-dura resistente a flexión longitudinal (6 barrasde acero corrugado de f 25 mm) de la seccióncentro de vano resultó seccionada (figura 13).Por razones de seguridad estructural y de ade-cuado comportamiento en servicio, el puentedebía ser reforzado con urgencia. Debido a losmayores plazos de ejecución y medios auxilia-res requeridos en opciones alternativas de re-fuerzo estudiadas, se determinó la solución delrefuerzo con materiales compuesta como lamás adecuada para la reparación de la estruc-tura,

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El material compuesto empleado fue elconstituido por fibras de carbono (tipo C, TorayT 700) y resina epoaídica. Las característicasdel mismo son las siguientes (referidas a la di-rección longitudinal de la fibra):

Resistencia a tracción: 24.000 Kp/cm 2

Deformación última: 1.4 %%Módulo de deformación: 1.500,000 Kp/cm=Densidad: 1.6 Kp/cm3Contenido volumétrico de fibra: 60Resistencia a la temperatura: > 500 °C.Resistencia a la temperatura: > 500 °C,

Se emplearon láminas con un ancho total de240 mm y un espesor de 1.2 mm. El espesorde la resina adherente fue d ^ 1 mm. En la figu-ra 14 se puede apreciar l situación final delpuente del Dragó, una vez llevado a cabo elrefuerzo.

Figura 13 Viga de borde ün: rates de re-

parar. Puente del Dragó, Barc a

Figura 14 Vista del puente del Dragó, una vez fi-

nalizados los trabajos de refuerzo.

6.2 Puentes n° 5 y n° 6 del Enlace del Esco-ric a, Madrid

La s estructuras n° 5 y n° 6 del Enlace del Esco-rial se encuentran en el tramo «Villalba –Caloco» de la Autopista A6, en Madrid, sufrien-do ambas impactos de vehículos, provocadospor gálibos muy estrictos, en 1.997,

', Estructura n° 5Consta de dos tableros independientes, unopor cada sentido de circulación, bajo el troncode la A6. Cada uno de los tableros presen-tan tres vanos isostáticos de unos 12,4 m deluz v 15,7 M de ancho, formados por ochovigas de hormigón pretensado enlazadas porun forjado superior de hormigón armado de22 cm.

♦ pacto del vehículo se produjo en el tra-mo central del tablero que soporta los carri-les de la A6, concretamente en la viga deborde de la margen izquierda. La vigaam; •. ada, j ur::. D con su viga adyacente, pre-

0.83 m r

Los desper-

r^^i

'Estructura n° 6La estructura consta de dos puentes table-ros, uno para cada sentido de circulación,constituido cada uno de ellos por tres vanosisostáticos de unos 14 m de luz.

La viga impactada fue la viga de borde deltramo central, formado por 12 vigas de hor-migón pretensado, de 0.8 m de canto, enla-zadas por un forjado superior de hormigónarmado de 22 cm. Los daños causados fue-ron similares a los de la estructura n° 5: pér-dida de acero de pretensado y armadura pa-siva, hormigón totalmente deteriorado en alainferior y fisuración en zona superior del alma(figura 16).

96 u^.^,rH iJ ^ Os ANDES

borde Deterioros en viga de ^orde impacrada,

btde *° y^<' ,4,1 E n t,-,„ ^7U1 E , 3^^l 1̂ ,[^,a,-; l

Debido al tráfico intenso que circunda la zona,se adoptó la solución de refuerzo con materia-les compuestos, gracias a la rapidez de la eje-cución del mismo.

Las reparaciones, restituciones y refuerzos pro-puestos se exponen a continuación: restitucióndel hormigón en todas aquellas zonas deterio-radas por los impactos, sellado de todas lasfisuras producidas, recrecido lateral de hormi-gón en ambos lados de las vigas de bordeimpactadas con objeto de garantizar un com-portamiento monolítico de la viga e incremen-to de la capacidad portante de las vigas me-diante un refuerzo constituido con láminas dematerial compuesto con fibra de carbono. Eltipo de material empleado fue el mismo que elutiliz°ado en el puente del Dragó (figuras 17 a19).

Figura 1 7 Recrecido de las almas (encofrado

armaduras. Puente n" 6 del Enlace del Escorial.

Figura 18 Remate en el hormi.gonado del recrecido

de las almas. Puente n" 5 del Enlace del Escorial.

97

Figura 16 Deterioros en viga de borde impactada,

puente n' 6 del Enlace del Escorial, Madrid.

Facultad de Ingeniería

Figura 1 9 Colocación de los laminados. Puente u°

5 del Enlace del Escorial.

6.3 Instalaciones de un concesionario de au-tomóviles en Lleida

El incremento de las cargas experimentado enlas instalaciones de un concesionario de auto-móviles en Lleida, provocado por la construc-ción de un altillo sobre la estructura existente,obligó a reforzar diversos pórticos de hormi-gón armado de la misma, tanto a flexión comoa cortante.

El refuerzo proyectado consistía en la aplica-ción de tejido de fibra de carbono (60% resina,40% tejido), ejecutándose finalmente median-te laminado unidireccional por motivos de dis-ponibilidad del material en fábrica (figura 20).

Figura 20 Refuerzo a cortante v flexión. Instala-ciones de un concesionario de automóviles en Lleida.

7. CONCLUSIONES

Con todo lo expresado anteriormente sobre elsistema de refuerzo a flexión mediante la apli-cación de materiales compuestos con fibra decarbono podemos concluir los siguientes pun-tos:

• El rango de aplicación del sistema de refuer-zo mediante materiales compuestos es muy

amplio, pudiéndose llevar a cabo no sólo don-de los requerimientos de altas prestaciones y/

o la maniobrabilidad y rapidez de la ejecuciónconstituyan un punto importante, sino, tam-bién, donde el planteamiento sea estrictamen-te económico, gracias al ahorro que se obtienepor 'a utilización de medios auxiliares ligeroscon plazos de ejecución mínimos (del orden dehasta un 25% frente a otras alternativas de re-fuerzo más convencionales). La reducción im-portante de los plazos de ejecución le convier-te en un sistema de refuerzo muy adecuadodonde se produzcan interrupciones de tráfico,etc.

• De entre los diversos materiales compuestosexistentes, los constituidos por fibra de car-bono representan el material idóneo para elrefuerzo pasivo de estructuras de hormigón,gracias a la inalterabilidad de las característicasmecánicas de dichas fibras ante la presencia dehumedad, disolventes, ácidos o bases, agentesatmosféricos, etc, (permitiendo un contactodirecto con el hormigón durante largos perio-dos de tiempo), junto a sus elevadas resisten-cias a largo plazo (en relación a los valores ob-tenidos a corto plazo) incluso bajo carga soste-nida.

• Se evidencia la necesidad de no tomar lasresistecias a corto plazo como referencia en eldiseño de estructuras reforzadas con materia-les compuestos, sino las propiedades a largoplazo, extraordinariamente dependientes deltipo de fibra empleada.

• A pesar del comportamiento constitutivocompletamente elástico lineal de los materia-les compuestos, puede obtenerse una respues-ta seccional de la estructura (hormigón + re-fuerzo) dúctil si se diseña adecuadamente elrefuerzo, permitiendo la plastificación del ace-ro de armar antes de que el refuerzo alcance sudeformación última.

• En la fiabilidad de una estr reforzadacon materiales compuestos influye sobremane-ra el tipo de material compiies*_o, la solicita-

98D - s A N DL

ción de trabajo, condiciones ambientales, etc.,por lo que resulta compleja la extrapolación delos criterios de diseño y de los diferentes co-eficientes de seguridad para los diferentes ma-teriales compuestos, requiriéndose un estudioparticular para cada material y aplicación delmismo.

• La aplicación de los laminados compuestoscomo refuerzo pasivo externamente adheridoa puentes está ligado a la evaluación de puen-tes existentes, la cual no se debe abordar conlos mismos criterios incluidos en una normati-va de proyecto. En los casos de evaluación es-tructuras ya construidas, el nivel de incertidum-bre se reduce notablemente respecto de las si-tuaciones de proyecto. Por otra parte, en el casode estructuras antiguas, éstas pueden haber sidoproyectadas con criterios y sobrecargas total-mente distintos a los valores vigentes y, comoconsecuencia, los coeficientes de seguridad delas normas de proyecto actuales no se debenaplicar, G. Pulido y Sobrino (98).

• Mediante modelos constitutivos muy espe-cíficos, se puede simular numéricamente laconcentración de tensiones rasantes en los ex-tremos de las láminas adheridas al hormigón,constatando el carácter dúctil de la unión en-tre las láminas compuestas y el hormigón, pu-diéndose optimizar y evaluar, de modo riguro-so, el refuerzo necesario.

8. REFERENCIAS

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