REFUERZO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO CON FIBRAS DE CARBONO
GENERALIDADES
El refuerzo estructural de hormigón con composites a base de fibras de carbono CFRP tiene una amplia gama de usos en la ingeniería civil y edificación, debido a su facilidad de aplicación, si bien como cualquier tecnología tiene sus rangos de aplicabilidad que debemos conocer a la hora de evaluar una posible solución de refuerzo con este sistema, tal como veremos en el presente post de RRG INGENIEROS.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL REFUERZO DE HORMIGÓN CON FIBRAS DE CARBONO
Algunas de ventajas para emplear este tipo de refuerzo son las siguientes:
-Alta resistencia, con un límite elástico de entre 5 y 7 veces el del acero corrugado B500S y un módulo de deformación comparable al del acero corrugado, por lo cual alcanzando deformaciones similares ofrecerá tensiones hasta varias veces mayor que el acero una vez plastificado este
-Muy buena durabilidad, al no afectarle la corrosión o ataque químico
-Son materiales ligeros, fáciles y rápidos de aplicar
-La fibra de carbono se adapta mejor que el acero a las posibles irregularidades de la superficie del hormigón
-La aplicación de estos refuerzos no conlleva aumentos significativos de sección, dado que se hace con elementos muy delgados
Presenta por otro lado ciertas desventajas:
-Las resinas epoxi que las unen al hormigón no resisten bien temperaturas superiores a unos 45ºC sin reblandecer, por lo que no son sistemas aptos para resistir frente a incendios o piezas expuestas al sol en climas cálidos
-No admiten bien cargas de impactos directos, ya que pueden producir su deterioro
-Son sistemas costosos, si bien con frecuencia valorando el conjunto de la actuación respecto de otras más invasivas y de ejecución lenta, el resultado suele ser favorable
-Requieren de un aplicación precisa y adecuada para no perder eficacia del refuerzo
APLICABILIDAD DEL REFUERZO DE HORMIGÓN CON FIBRAS DE CARBONO
Para poder aplicar este sistema se requiere el cumplimiento de los siguientes requisitos:
-La pieza de hormigón a reforzar debe estar saneada y en su caso reparada antes de la aplicación, y carente de fisuración significativa o rellenarse las fisuras con inyecciones de resinas epoxi o similares, dado que de lo contrario la interfase fibra-hormigón no será capaz de resistir las tensiones tangenciales
-La resistencia característica a compresión del hormigón debe ser superior a unos 15 MPa, de lo contrario puede fallar la resistencia a rasante en la interfase dado que la tensión a corte se interrelaciona con la resistencia a compresión del hormigón
-La estructura debe ser capaz de resistir por sí misma sin el refuerzo con las fibras de carbono las combinaciones de acciones accidentales (incendio, impactos, sismo), por lo que el refuerzo con fibra de carbono se plantea para ganar resistencia en las situaciones de combinaciones de acciones persistentes o transitorias y no las accidentales. No obstante debemos recordar que los coeficientes de mayoración de acciones en combinaciones accidentales son iguales o inferiores a la unidad, por lo que si la estructura es capaz de resistir por sí misma a combinaciones accidentales, el refuerzo con fibras de carbono puede efectivamente aumentar la capacidad de carga general de la estructura
-En relación con lo anterior, si se quisiera hacer contribuir al refuerzo de fibras de carbono en caso de incendio habría que recurrir a sistemas de protección pasiva que garantizasen que los refuerzos no experimentarían calentamientos durante el tiempo requerido de incendio de la temperatura de reblandecimiento de las resinas epoxi, lo cual generalmente no se hace por su difícil evaluación
-Cabe también decir que en general el refuerzo con fibras de carbono no es una solución eficaz cuando se presentan problemas de deformaciones, dado que realmente el incremento de inercias será muy limitado, por lo que no es una solución indicada cuando el problema fundamental es de deformaciones importante y no de resistencia, si bien podrá resolver algunos casos al respecto del mismo modo que lo haría un aumento de cuantías de armado
TIPOS DE REFUERZO DE HORMIGÓN CON FIBRAS DE CARBONO Y SU EFICACIA
*Refuerzo a flexión:
Para que el refuerzo a flexión de las piezas sea rentable y eficaz el estado de solicitaciones debe ser tal que sin el refuerzo la sección trabaje con la fibra neutra situándose en los dominios 2 o 3 (x/d=0,26 a 0,45), ya que en estos dominios un aumento de sección de las fibras traccionadas implica un aumento significativo en el ancho de la cabeza comprimida sin pérdida de tensión en la armadura, y a partir del dominio 4 un aumento de sección de las fibras traccionadas supone una disminución en la tensión de las armaduras por cuanto trabajarían por debajo del límite elástico del acero
*Refuerzo a cortante:
Para que el refuerzo a cortante de las piezas sea eficaz la sección sin los refuerzos debe debe fallar el ELU de cortante por tracción del alma y no por compresión oblicua excesiva del hormigón, dado que las fibras no aportan resistencia a compresión:
*Refuerzo a compresión:
El refuerzo a compresión de columnas se consigue mediante su zunchado con fibras de carbono, consiguiéndose aumentos usuales de resistencia de entre un 20 y 25%.
CÁLCULO DE LOS REFUERZOS CON FIBRAS DE CARBONO
El cálculo de los refuerzos se realiza teniendo en cuenta la historia de carga de la estructura y la evolución en los diferentes dominios de deformación-tensión, dado que la estructura partirá en general de un estado previo de presolicitación.
Para ello se cuenta usualmente con las aplicaciones informáticas de cada casa comercial de refuerzos tales como Sika, Drizoro y otros.
No obstante a efectos de un predimensionamiento es posible estimar las cuantías de fibras que previsiblemente se requerirán para una determinada pieza. Así por ejemplo para el caso de un refuerzo a flexión podemos estimar la sección del refuerzo con fibras de carbono de la siguiente manera:
-Se considera que las fibras en conjunción con el hormigón habrán de resistir la diferencia entre el momento de cálculo deseado Md y el momento último estimado de la sección hormigón-acero:
Mufc~(Md-Asxfydx0,8xd)/10 (KNxm)
-La sección eficaz estimada de las fibras será por tanto:
Afc,e=10xMufc/(0,8xdxfrc) (cm2)
Donde:
*d: canto útil (m)
*As: sección acero (cm2)
*fyd: límite elástico de cálculo del acero (MPa), que generalmente será de 500/1,15=434 MPa
*Afc,e: sección eficaz del refuerzo de fibras de carbono (cm2)
*frc: límite elástico de cálculo del refuerzo de fibras de carbono (MPa), que generalmente será de 3400/1,4=2400 MPa
Otro criterio de estimación equivalente al anterior sería calcular la sección total de acero necesaria para resistir Md, y asumiendo que la sección de fibra de carbono computa como unas 5 veces la misma sección en acero obtener la sección de CFRP eficaz necesaria.
Por último para estimar el número de bandas de CFRP a colocar, si los modelos comerciales fueran insuficientes para colocar una sola capa de sección anchoxespesor igual o mayor a la sección eficaz, la sección total de CFRP habría que aumentarla entre un 20 y un 35% más aproximadamente según se instalaran 2 o 3 capas.
CONCLUSIONES
Como vemos el tema del refuerzo por CFRP resulta muy interesante cuando se trata de aumentar de forma sencilla y rápida la resistencia de las secciones frente combinaciones de acciones persistentes/transitorias y a la vez se cumplen ciertos requisitos respecto a su estado de presolicitación, conservación del hormigón y otros.
Si desea un asesoramiento al respecto, puede ponerse en contacto RRG INGENIEROS a través de:
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