Metal18- Materiales Compuestos

materiales

Materiales compuestos

y su aplicación en el refuerzo de estructuras

Fotos: cortesía Dimitry Zawadzky

Por M. Antonio Ramírez V.

Para el reforzamiento de la chimenea del Matadero Distrital, recientemente convertido en biblioteca, se usaron cintas de carbono unidas con micropilotes en la base.

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Los polímeros reforzados con fibras se usan en el reforzamiento de estructuras patrimoniales desde hace más de treinta años.

Usando metodologías de fácil aplicación, se destacan de los métodos tradicionales por sus buenos rendimientos y costos asequibles. Guía de diseño.

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materiales

Desde 1991, el American Concrete Institute (ACI) ha liderado la elaboración de normativas para su uso en refuerzo de edificaciones, elementos de concreto y mampostería, dictando pautas sobre los controles requeridos a los materiales y a sus diversas aplicaciones (ACI-440.1 a ACI-440.7).

Propiedades de las FRP Los materiales compuestos resultan de una combinación de filamentos de un material principal extraído de la naturaleza –vidrio, carbono, aramida, kevlar o grafito–, que se embeben en una matriz o resina polimérica. Los FRP, por tanto, poseen propiedades anisotrópicas, es decir, pueden orientarse en cualquier dirección requerida, característica muy útil para obras de arquitectura e ingeniería civil.

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tabla 1. Densidad típica de materiales FRP (g/cm3)

Acero

GFRP

CFRP

AFRP

7,9

1,2 a 2,1

1,5 a 1,6

1,2 a 1,5

tabla 2. Coeficientes típicos de expansión térmica para materiales FRP* Coeficiente de expansión térmica, × 10–6/°C

Dirección

Acero

GFRP

CFRP

AFRP

Longitudinal

11

6 a 10

-1 a 0

-6 a -2

Transversal

11

10 a 23

22 a 50

60 a 80

tabla 3. Resistencia promedio a la tensión de las FRP (MPa)

Acero

GFRP

CFRP

AFRP

20

1 500 a 2 000

3 000 a 5 400

2 500 a 3 000

Los módulos elásticos varían bastante, pues se ubican entre 70 y 80 GPa para fibras de vidrio, y entre 220 a 690 GPa para fibras de carbono. σ

Ca rbo no

Entre las principales ventajas detectadas en los FRP, pueden resaltarse su bajo peso, alta resistencia tanto a la corrosión como a la tensión, facilidad para producirse con bajos espesores en diferentes formas (tejidos, platinas, barras, mallas, perfiles, tubos, y otros), así como su sencilla manipulación y aplicación sobre estructuras existentes o nuevos proyectos, como obras marinas, geotecnia, túneles o taludes.

En la actualidad, las FRP más utilizadas se basan en fibras de vidrio (GFRP), de carbono (CFRP) y de aramida (AFRP).

Grafite

E

n la década de los 80, en países como Japón, China y Estados Unidos, el desarrollo de la nanotecnología permitió producir nuevos compuestos a partir de materias primas tradicionales. Dentro de esos “nuevos materiales”, los polímeros reforzados con fibras (FRP, por sus siglas en inglés) merecieron gran atención, debido sobre todo a su excelente desempeño en obras de reforzamiento de edificaciones antiguas e infraestructura, especialmente en zonas de alta amenaza sísmica.

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ε

En el comportamiento ante las cargas sostenidas (creep), son muy favorables los resultados para las fibras de carbono. Por el contrario, las fibras de vidrio –como las de acero– tienden a sufrir un relajamiento para la carga a tensión.

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En pruebas realizadas a estos materiales, donde varillas de 6 mm de diámetro fueron sometidas a diferentes fuerzas de tensión, se observó que las resistencias extrapoladas a 500 mil horas dieron como resultado una carga mantenida en 30 % de la inicial para la de fibra de vidrio, 50 % para la de aramida y 90 % para la de carbono.

Ante las altas temperaturas, la reacción más desafavorable es el desprendimiento de los materiales adherentes, como resinas o epóxicos; sin embargo, a 250 °C puede disminuirse la resistencia de las fibras de carbono y vidrio hasta en un 20 % con respecto a su resistencia inicial.

Es fundamental, entonces, elegir los elementos de apoyo al sistema, como resinas, primers, saturantes, adhesivos, y otros, los cuales deben ser compatibles con las propiedades de las FRP. Para esto, normas como la ACI 440.3R-04 definen las pruebas que deben aplicarse para determinar si los materiales, métodos y demás elementos complementarios son aceptables.

Respecto a los elementos complementarios, es primordial considerar los posibles efectos frente a la exposición a rayos ultravioleta, fuego, químicos, vandalismo, impactos, y el acabado estético. Existen también normas para su almacenaje, manipulación, instalación y aceptación.

En el comportamiento ante las cargas sostenidas (creep), son muy favorables los resultados para las fibras de carbono; contrario a las fibras de vidrio y acero, que tienden a sufrir un relajamiento para la carga a tensión.

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La aplicación de polímeros reforzados con fibras ha sido normalizada por el Comité 440 del ACI.

Diseño de refuerzos con FRP en elementos de concreto reforzado Los sistemas de FRP deben diseñarse para resistir las fuerzas de tracción, mientras se mantiene la compatibilidad entre el elemento FRP y el soporte (de concreto, metal o mampostería, por ejemplo). Si bien la resistencia a la compresión de la armadura de FRP no debe ser considerada, para el refuerzo de FRP diseñado a tensión sí es aceptable experimentar compresión debido a retrocesos en las deformaciones por momentos o cambios en el patrón de cargas.

Como filosofía de diseño, se recomienda atenerse a los principios de diseño para estados límites. Este enfoque establece niveles aceptables de seguridad para la ocurrencia tanto de ambos estados límite de servicio (deformaciones y grietas excesivas), como de los estados límite últimos (fallo, ruptura, estrés y fatiga). En la evaluación de la fuerza nominal de un miembro, deben ser evaluados los modos de falla posibles, así como posteriores deformaciones y tensiones en cada material.

Factores de reducción adicionales deben aplicar para los refuerzos de FRP, con el ánimo de reflejar las incertidumbres inherentes de estos sistemas, comparables con los que se aplican al concreto reforzado y pretensado. Por ello, los sistemas FRP pueden diseñarse de conformidad con la ACI 318, utilizando los factores de resistencia y cargas indicados en esta norma. Dichos factores de reducción se determinan sobre la evaluación de bases estadísticas de variabilidad en las propiedades mecánicas, y son calibrados para producir índices de confiabilidad. En general, se estima menor fiabilidad en estructuras que deben ser reparadas, que en nuevas estructuras.

Límites de reforzamiento Estos límites –quizá la consideración más importante del diseño– se imponen para la protección contra el colapso de la estructura, el nivel de confianza u otras consideraciones. Según la ACI 440.2R-22, la falla del sistema de FRP se produce debido a daños, vandalismo u otras causas; sin embargo, el miembro estructural no reforzado (sin refuerzo de FRP) debe tener suficiente resistencia para soportar un cierto nivel de carga sin colapsar. La fuerza existente de la estructura debe, entonces, ser suficiente para tolerar un nivel de carga como el de la ecuación: (φRn) existente ≥ (1.1 SDL + 0.75 SLL) nueva

La resistencia nominal a altas temperaturas debe ser mayor que la carga de servicio en el miembro reforzado (ACI 216R, para dar cumplimiento a la ASTM E119 sobre fuego en escenarios).

Rnθ ≥ SDL + SLL La resistencia nominal del miembro en una elevada temperatura (R nθ) puede determinarse utilizando las directrices esbozadas en la ACI 216R o a través de pruebas. La resistencia nominal R nθ debe calcularse sobre la base de la reducción de propiedades del miembro existente.

En la selección del sistema de reforzamiento FRP deben tenerse en cuenta, también, consideraciones de tipo ambiental, como la alcalinidad o acidez, la expansión térmica o la conductividad eléctrica (ver Tabla 4) Las ecuaciones siguientes dan las limitaciones que deben utilizarse en todas las ecuaciones de diseño. Es importante re-

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tabla 4. Factores de reducción para varios sistemas FRP y condiciones de exposición

Condiciones de exposición ambiental CE

Tipo de fibra

Factor de reducción

Exposición interna

Carbón

0,95

Exposición exterior (puentes, pilas, garajes descubiertos) Ambiente agresivo (plantas químicas o de tratamiento de aguas)

saltar que en el diseño final de resistencia a la tracción es necesario emplear el factor de reducción ambiental, indicado en la tabla anterior para el tipo de fibra adecuada y condición de exposición:

ffu = CEf*fu Del mismo modo, en el diseño la deformación de ruptura también debe reducirse para las condiciones de exposición ambiental:

εfu = CEε*fu Dado que los materiales de FRP tienen un comportamiento elástico lineal hasta la falla, el módulo de elasticidad de diseño unidireccional del FRP puede ser determinado a partir de la ley de Hooke. La expresión para el módulo de elasticidad –formulada en la ecuación siguiente– reconoce que el módulo es típicamente no afectado por las condiciones ambientales. El módulo de esta ecuación será el mismo que el valor inicial reportado por el fabricante:

Ef = ffu / εfu El enfoque de diseño por resistencia requiere que, para la flexión de diseño, la re-

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Vidrio

0,75

Aramida

0,85

Carbón

0,85

Vidrio

0,65

Aramida

0,75

Carbón

0,85

Vidrio

0,50

Aramida

0,70

sistencia reducida de un miembro supere el momento que requiere, es decir:

φMn ≥ Mu Por su parte, el nivel de la deformación efectiva en el reforzamiento de FRP en el estado límite último puede encontrarse con la siguiente expresión:

εfe = εcu (df –c )/c – εbi ≤ εfd (Donde εbi es la deformación inicial del sustrato y df la profundidad efectiva del FRP).

El nivel de esfuerzos efectivo en el FRP es el máximo nivel que puede ser desarrollado antes de la falla a flexión de la sección.

Este esfuerzo efectivo puede asumirse considerando un comportamiento perfectamente elástico:

ffe = Ef εfe Para el refuerzo al cortante se siguen los mismos criterios conocidos para diseños en concreto:

φVn ≥ Vu

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Pero se aplica un factor de reducción adicional Yf a la capacidad al corte del FRP:

φVn = φ(Vc + Vs + ψf Vf ) Con los siguientes valores: ψf = 0,95 miembros envueltos completamente ψf = 0,85 en esquemas con tres, o dos caras opuestas reforzadas

Los diagramas de interacción pueden obtenerse para conocer los límites de capacidad para combinaciones de carga axial y flexión. Estos diagramas, como resultado de diversas pruebas experimentales, muestran ductilidades algo menores que las de elementos de concreto reforzado, pero aceptables para los requerimientos mínimos en zonas de amenaza sísmica alta.

Reforzamiento de mampostería antigua Se siguen en general los mismos principios definidos anteriormente para los elementos de concreto reforzado, pero se contemplan algunas condiciones especiales.

Hay dos casos en que los límites del reforzamiento deben ser considerados: cuando las paredes de albañilería deben resistir cargas fuera de su plano, como los empujes de tierras o vientos; y cuando las paredes que forman parte del sistema soportan cargas en la dirección de su plano.

Para paredes que resisten cargas fuera de su plano, la fuerza del muro existente debe ser suficiente para cumplir con la limitación dada en: (φRn) existente, fuera de plano ≥ (0.9 D + 1.0 H) nueva

Para el caso de muros que soportan cargas en su plano, la resistencia de este debe ser suficiente para cumplir con los requerimientos según la siguiente ecuación: (φRn) existente, fuera de plano ≥ (0.9 D + 1.0 H) nueva

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Los materiales compuestos se utilizan desde hace más de treinta años como refuerzo de obras existentes en zonas de alta amenaza sísmica.

Para la revisión de deformaciones efectivas, por modos de falla controlados por flexión, basta con satisfacer:

εfe = κm εfu* ≤ CE εfu* ffe = Ef εfe (Donde Km es un coeficiente de reducción de capacidad que tiene en cuenta el mecanismo de colocación de la FRP): Km =

0,45 para sistemas montados en la superficie 0,35 para sistemas NSM FRP (barras empotradas cerca a la superficie)

Los valores de ductilidad del sistema de reforzamiento en los muros son bajos, pero adecuados para las exigencias normales en estructuras de mampostería.

Para tener en cuenta Los materiales compuestos FRP pueden mejorar en un buen porcentaje el comportamiento estructural de elementos de concreto armado y albañilería existentes, incluso el de aquellos que fueron diseñados sin tener en cuenta cargas esporádicas de su vida útil, como lo son las fuerzas del movimiento sísmico.

Numerosos proyectos de infraestructura urbana o rural –vías, pavimentos, túneles, o geotecnia– ilustran el gran potencial de los materiales compuestos para el reforzamiento y rehabilitación de la infraestructura civil.

Sin embargo, para que estos sean exitosos, se requieren adecuados criterios de ingeniería en el diseño, así como la instalación de los materiales por personal calificado.

convenciones Rnθ

Resistencia nominal del miembro en una elevada temperatura SDL Esfuerzo debido a la carga muerta SLL Esfuerzo debido a la carga viva ffu Esfuerzo último en la fibra de refuerzo CE Condiciones de exposición ambiental εfu Deformación unitaria última en la fibra de refuerzo Ef Módulo elástico de la fibra de refuerzo φMn Resistencia reducida de un miembro Mu Momento último para el diseño εfe Deformación unitaria efectiva en la fibra εcu Deformación unitaria df Profundidad efectiva del FRP c Profundidad al eje neutro de la sección εbi Deformación inicial del sustrato εfd Deformación unitaria de la fibra por carga muerta ffe Esfuerzo efectivo en la fibra φVn Cortante nominal reducido Vu Cortante último Vc Cortante asumido por el concreto Vs Cortante asumido por el acero ψf Coeficiente de reducción en la fibra Vf Cortante asumido por la fibra φRn Resistencia nominal limitada D Carga Muerta H Carga horizontal de empuje κm Coeficiente que tiene en cuenta la colocación de la cinta

FUENTES 1. Las normas, libros y artículos de referencia pueden consultarse en: http://www.uptc.edu. co/export/sites/default/ eventos/2013/cf/siisg/memorias/ documentos/2_13Materiales_ compuestos.pdf

Ingeniero M. Antonio Ramírez V. Ingeniero civil de la Universidad de La Salle, magíster en Ingeniería Civil, área de Estructuras y Geotecnia, y especialista en Ingeniería Sísmica de la Universidad Nacional Autónoma de México.

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