INGENIERIA CIVIL
Línea de productos para refuerzo estructural CARBOPREE® - GLASSPREE® - ARAPREE® El empleo de materiales compuestos para reforzar y reparar estructuras existentes de hormigón armado remonta a más de hace 20 años. Estos materiales conocidos como materiales compuestos, son llamados comúnmente FRP (Fiber Reinforced Plastic por su sigla en inglés). Los sistemas FRP se usan en todas aquellas estructuras que necesitan ser reforzadas en consecuencia de
deterioro, errores de diseño o construcción, cambio en el destino de uso, aumento de las cargas de servicio / carga ultima o refuerzo anti-sísmico. Hay dos técnicas que se utilizan para reforzar las estructuras: refuerzo interno y refuerzo externo y hay 3 clases de productos que se aplican: tejidos (FOTO 1) laminas (FOTO 2) y barras (FOTO 3) (FOTO 3(2)) (FOTO 3(3)).
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Los FRP trabajan esencialmente proporcionando fuerza donde el hormigón es más débil, es decir en tensión, por lo tanto se pueden aplicar en la parte inferior de vigas o losas (FOTO 4) de manera que aumenten la resistencia a flexión de estas últimas o en las caras laterales de las vigas de manera que aumenten la resistencia a corte o en fin envueltos alrededor de columnas o pilas (FOTO 5) de manera que provean confinamiento a la estructura y aumenten su
ductilidad, que es el problema principal y fundamental en las adecuaciones sísmicas. Además se pueden usar en muros de concreto o mampostería (FOTO 6) para aumentar la resistencia sísmica y para contrastar las cargas debidas al viento, así como se pueden utilizar como recubrimiento externo de tubos de hormigón, silos (FOTO 7) o tanques de modo que puedan alcanzar presiones internas más altas.
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En los casos en que los FRP resulten útiles, hace falta reconocer que hay límites razonables a la resistencia adicional que pueden proveer a la estructura. Típicamente un aumento de la resistencia hasta a un 50% es considerado dentro de estos límites.
Aplicaciones donde los sistemas FRP no sirven incluyen: corrección de problemas de perforación cortante (punching shear) en losas o zapatas, corrección de problemas de vibración, aumento de la resistencia a compresión de las paredes.
Ventajas ofrecidas por los materiales FRP • durabilidad • peso ligero • rapidez y facilidad de instalación • posibilidad de instalación en áreas de acceso limitado • ninguna alteración de la apariencia de la estructura reforzada • posibilidad de aplicar el producto sobre superficies de geometría compleja
Principales beneficios en el uso de los materiales FRP • reducción de la deflexión (aumento de la rigidez de la estructura) • limitación y contención del fenómeno de la fisuración (aumento de la durabilidad de la estructura) • aumento de la capacidad de carga de la estructura • aumento de la carga última (aumento de la seguridad de la estructura)
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Para poder obtener uno o más de los beneficios citados anteriormente, el ingeniero podrá elegir entre diferentes parámetros que conciernen el refuerzo a aplicar sobre la estructura: • tipo de material (fibra de carbono, fibra aramida, fibra de vidrio) • largo, espesor y orientación del refuerzo • tipo de adhesivo La combinación de estos parámetros es un factor llave muy importante por el proyecto. Por ejemplo, una específica reducción de la flexión bajo carga de servicio de una viga o una losa se puede lograr con diferentes tipos de FRP (tejidos, láminas o barras) además combinando entre ellos diferentes largos o espesores. Una vez elegido el tipo de material más adecuado para reforzar la estructura y teniendo en cuenta sus características mecánicas principales (resistencia a la tracción, modulo elástico, deformación), se tendrán
que considerar los datos estructurales del tipo de estructura que se debe reforzar, por ejemplo: dimensiones de la viga o losa, resistencia a compresión del hormigón, número y tipo de barras presentes en la estructura, carga viva y carga muerta. (FOTO 21 FOTO 22) La evaluación de todos estos datos es bastante compleja, por esta razón y debido a la larga experiencia en la fabricación de materiales FRP, Sireg ofrece consultoría técnica al cliente desde los primeros pasos del proyecto, orientando la elección de los materiales de refuerzo con base en los parámetros arriba mencionados y al tipo de comportamiento que se desea la estructura así reforzada obtenga: aumento de la carga de servicio, aumento de momento último, mayor ductilidad etc. Sireg diseña el refuerzo con materiales FRP utilizando normativas y guías internacionales (por ejemplo la A.C.I. 440) por el uso de materiales compuestos como refuerzo en las estructuras de hormigón armado. 21
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TIPOLOGIAS DE REFUERZO ESTRUCTURAL EXTERNO Refuerzo estructural externo a flexión de vigas o losas con láminas de fibra de carbono Carbopree® Plates (FOTO 9) Las láminas de fibra de carbono Carbopree® Plates son una familia de laminas usadas como refuerzo externo en estructuras de hormigón armado y se dividen entre laminas de alta resistencia HS y laminas de alto módulo HM fabricadas en medidas diferentes que varían entre 50mm y 120mm de ancho y un espesor entre 1,2mm y 1,4mm. De esta manera el proyectista tendrá a su disposición una amplia gama de productos la cual le ofrece la posibilidad de elegir el más adecuado a las exigencias de proyecto. La particularidad de las láminas Carbopree® Plates es de tener un lado liso (lado de pegar a la estructura) y un lado recubierto con arena de cuarzo, de modo de
ofrecer una mejor adherencia a los materiales de protección / acabamiento que se aplican a la lámina una vez instalada sobre la estructura. Las láminas son entregadas en rollos de largo 100m de manera que se puedan transportar a la obra de manera muy práctica y una vez en obra se cortaran con un flexible a la medida requerida por el diseño. Las laminas Carbopree® Plates se aplican en la zona positiva de la estructura por medio de una pasta epóxica y pueden ser una valida alternativa a la aplicación de tejidos, ya que su uso es mas practico y la aplicación es más rápida
CARBOPREE® PLATE HS Resistencia a la tracción ASTM D3039 Módulo de elasticidad ASTM D3039 Deformación ASTM D3039 Carga última ASTM D3039 Espesor Ancho Peso
50 x 1.2 2800 MPa 165 GPa 1.8% 168 kN 1.2 mm 50 mm 125 gr/m
80 x 1.2 100 x 1.2 120 x 1.2 2800 MPa 2800 MPa 2800 MPa 165 GPa 165 GPa 165 GPa 1.8% 1.8% 1.8% 268 kN 335 kN 403 kN 1.2 mm 1.2 mm 1.2 mm 80 mm 100 mm 120 mm 185 gr/m 238 gr/m 280 gr/m
CARBOPREE® PLATE HS Resistencia a la tracción ASTM D3039 Módulo de elasticidad ASTM D3039 Deformación ASTM D3039 Carga última ASTM D3039 Espesor Ancho Peso
50 x 1.4 2800 MPa 165 GPa 1.8% 196 kN 1.4 mm 50 mm 135 gr/m
60 x 1.4 2800 MPa 165 GPa 1.8% 235 kN 1.4 mm 60 mm 165 gr/m
90 x 1.4 100 x 1.4 120 x 1.4 2800 MPa 2800 MPa 2800 MPa 165 GPa 165 GPa 165 GPa 1.8% 1.8% 1.8% 352 kN 392 kN 470 kN 1.4 mm 1.4 mm 1.4 mm 90 mm 100 mm 120 mm 236 gr/m 262 gr/m 315 gr/m
CARBOPREE® PLATE HM Resistencia a la tracción ASTM D3039 Módulo de elasticidad ASTM D3039 Deformación ASTM D3039 Carga última ASTM D3039 Espesor Ancho Peso
50 x 1.2 2300 MPa 200 GPa 1.4% 138 kN 1.2 mm 50 mm 116 gr/m
80 x 1.2 2300 MPa 200 GPa 1.4% 220 kN 1.2 mm 80 mm 220 gr/m
50 x 1.4 2300 MPa 200 GPa 1.4% 161 kN 1.4 mm 50 mm 135 gr/m
60 x 1.4 2300 MPa 200 GPa 1.4% 193 kN 1.4 mm 60 mm 165 gr/m
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Refuerzo estructural externo a corte y a flexión de vigas con tejido en fibra de carbono Carbopree® sheet (FOTO10 + FOTO 10b) y llenado de pasta epóxica, de manera que el tejido quede anclado. De esta manera se evita la separación (desprendimiento) del tejido de la estructura, que puede ocurrir por peeling. El mismo concepto se puede aplicar reemplazando las barras en compuesto con perfiles de acero en forma de L (aunque este método es más caro, más lento y difícil de ejecutar comparado a la aplicación de las barras en compuesto), los cuales son atornillados a la parte superior de la losa por un lado, mientras por lo otro son pegados al tejido con resinas epoxicas. Por fin, dependiendo de los requisitos de proyecto, el tejido puede ser aplicado en modo continuo sobre la viga o en tiras uniformemente espaciadas y distribuidas a lo largo de toda la viga (FOTO 11). Este tipo de aplicación permite una mejor dispersión de la humedad presente en el hormigón y una mejor optimización de la cantidad de material a usar.
El método más eficaz por el refuerzo a corte con los tejidos en FRP, es de envolver la entera sección de la viga. Desafortunadamente, esto método casi nunca es posible aplicarlo desde el punto de vista de la factibilidad en obra. La presencia de losas monolíticas u otros elementos de soporte, impiden a menudo la posibilidad de aplicar el tejido también alrededor de la parte superior de la sección. Entonces el método más común es de envolver los lados y la parte inferior de la sección. Este método dicho envoltura en U es factible y es bastante eficaz en la acción de aumentar la resistencia a corte de la sección. Hay que subrayar que cuando se aplica el tejido en U a una viga, las extremidades del tejido deben ser ancladas a la viga misma a través de barras en material compuesto (barras en fibra de carbono o en fibra de vidrio) las cuales son insertadas junto al tejido en un corte longitudinal previamente ejecutado
CARBOPREE® SHEET HS Resistencia promedia a la tracción ASTM D3039 Módulo de elasticidad ASTM D3039 Deformación ASTM D3039 Carga última ASTM D3039 Espesor
HS 300 3000 MPa 165 GPa 1.8% 168 kN 1.2 mm
HS 600 3000 MPa 165 GPa 1.8% 268 kN 1.2 mm
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Refuerzo estructural externo para confinamiento de columnas / pilas (column wrapping) con tejidos en fibra de carbono Carbopree® sheet, y en fibra de vidrio Glasspree® sheet (FOTO 12) El empleo de estribos de acero para aumentar la ductilidad de columnas de hormigón armado es una técnica muy conocida. Desafortunadamente, el tipo de confinamiento ofrecido por esta técnica sólo es localizado en el pequeño espacio existente entre los estribos. El uso de tejidos en FRP Carbopree® sheet y Glasspree® sheet para aumentar y mejorar el comportamiento a compresión axial en las columnas de hormigón armado tiene un efecto mayor con respecto al refuerzo realizado con estribos de acero, debido al hecho que el tejido ofrece un confinamiento continuo a lo largo de toda la columna. Envolviendo una columna de hormigón con tejido en FRP se aumentan de manera muy eficaz el momento a corte y la resistencia a compresión de la misma, además de mejorar su ductilidad. La aplicación del tejido se realiza envolviendo transversalmente la columna de modo continuo, desde la base hasta la sección bajo la losa. Cuando las columnas están sometidas sea a cargas axiales que a flexión, el empleo de tejidos bi-axiales con fibras orientadas 0/90 grados es recomendado. Hace falta notar que el problema más importante (creep) que surge cuando se usan tejidos en fibra de
vidrio, no es una preocupación cuando es usado para este tipo de aplicación, porque también bajo carga permanente el confinamiento de la columna queda sin estrés. Por último es importante notar que la baja resistencia a la tracción y el bajo módulo elástico de los tejidos en fibra de vidrio y en fibra aramida comparado a los valores de un tejido en fibra de carbono, ofrecen una mayor ductilidad a la columna, permitiendo una mayor tolerancia de las deformaciones, sobre todo en caso de sismo. Sireg fabrica una gran variedad de tejidos habientes diferentes características técnicas y diferentes gramatura, para ofrecerle al proyectista la posibilidad de diseñar el proyecto optimizando la aplicación del tipo de material con base en las reales exigencias técnicas. Por ejemplo, los tejidos de fibra de carbono Carbopree® sheet se puede fabricar en gramaturas que van desde 230gr/m² hasta 650grm/² en alto modulo, alta resistencia, mono direccionales o bi-direccionales el tejido de fibra de aramida Arapree® sheet se puede fabricar es gramaturas de 300 gr/m² o 400 gr/m² mientras el tejido de fibra de vidrio Glasspree® sheet se puede fabricar en gramaturas de 600 gr/m² hasta 950 gr/m².
GLASSPREE® SHEET Resistencia promedia a la tracción ASTM D3039 Módulo de elasticidad ASTM D3039 Deformación ASTM D3039 Espesor del tejido seco Peso
600 900 1700 MPa 1700 MPa 65 GPa 65 GPa 2.6% 2.6% 0.23 mm 0.35 mm 600 gr/m2 900 gr/m2
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TIPOLOGIAS DE REFUERZO ESTRUCTURAL INTERNO Refuerzo estructural interno de estructuras de hormigón armado a corte y flexión N.S.M. (Near Surface Mounted) realizado con varillas de fibra de carbono Carbopree®, fibra de aramida Arapree® y fibra de vidrio Glasspree®. Las barras Carbopree® rod, Arapree® rod y Glasspree® rod comparadas a las barras de acero, ofrecen una excelente resistencia a la corrosión (en particular las barras en fibra de carbono) así como una excelente resistencia a la tracción y una buena resistencia
a la fatiga, además de ser muy ligeras. La aplicación de estas barras espacia desde el refuerzo sísmico en paredes y columnas en mampostería (FOTO 13 – 14 – 15) al refuerzo interior a flexión en las losas o vigas de hormigón armado. 13
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En particular la barra en fibra de carbono Carbopree® es particularmente indicada para ser utilizada con esta técnica que se llama “montada cerca de la superficie” (Near Surface Mounted por su sigla en inglés). Básicamente se trata de ejecutar un corte longitudinal a lo largo de toda la viga o losa a reforzar, rellenar el corte con una pasta epoxica y introducir la varilla en el corte (FOTO 18) , de esta manera, la pasta epoxica
es forzada a recubrir completamente la barra, la cual por fin se sella dentro del corte con un acabado (resina epoxica). Una de las ventajas en el usar la tecnología N.S.M. con respecto a la aplicación externa de laminados en fibra de carbono, es la posibilidad de poder anclar las barras en una parte adyacente a la estructura a reforzar (FOTO 19), además de reducir mucho el tiempo de instalación. 18
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GLASSPREE® ROD ø 6 mm Resistencia a la tracción ASTM D3039 Módulo de elasticidad ASTM D3039 Deformación ASTM D3039 Area Carga ultima ASTM D3039 Peso lineal
ø 8 mm ø 10 mm ø 12 mm ø 16 mm ø 20 mm ø 22 mm ø 25 mm ø 28 mm ø 32 mm
1000 Mpa 1000 MPa 1000 MPa 1000 MPa 1000 MPa 900 MPa 900 MPa 900 MPa 900 MPa 850 MPa 40 GPa 40 GPa 40 GPa 40 GPa 40 GPa 40 GPa 40 GPa 40 GPa 40 GPa 40 GPa 2.8% 2.8% 2.8% 2.8% 2.8% 2.8% 2.8% 2.8% 2.8% 2.8% 28 mm2 50 mm2 78 mm2 113 mm2 200 mm2 314 mm2 379 mm2 490 mm2 615 mm2 803 mm2 28 kN 50 kN 78 kN 113 kN 200 kN 282 kN 340 kN 440 kN 550 kN 680 kN 55 gr/m 98 gr/m 155 gr/m 220 gr/m 340 gr/m 640 gr/m 770 gr/m 980 gr/m 1200 gr/m 1540 gr/m
Además esta tecnología se vuelve particularmente atractiva porque permite el refuerzo estructural a flexión en zona negativa de losas, vigas, soleras o cubiertas dónde un refuerzo externo estaría sometido a daño mecánico y / o ambiental (FOTO 16 – 17), solicitando por lo tanto el recubrimiento con una
capa protectora, la cual interferiría con la estructura ya existente u con columnas o pisos. Las barras Carbopree® rod, Arapree® rod y Glasspree® rod son fabricadas en diámetros desde 5mm hasta 32mm y pueden ser en alto modulo HS o alta resistencia HM.
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CARBOPREE® ROD HS Resistencia a la tracción ASTM D3039 Módulo de elasticidad ASTM D3039 Deformación ASTM D3039 Area Carga ultima ASTM D3039 Peso lineal 1
ø 3 mm ø 5.5 mm ø 7.5 mm ø 10 mm ø 12.5 mm 2300 MPa 2300 MPa 2300 MPa 2300 MPa 2300 MPa 130 GPa 130 GPa 130 GPa 130 GPa 130 GPa 1.8% 1.8% 1.8% 1.8% 1.8% 7 mm2 23 mm2 44 mm2 78 mm2 122 mm2 16 kN 54 kN 101 kN 180 kN 280 kN 2 gr/m 40 gr/m 75 gr/m 130 gr/m 195 gr/m
CARBOPREE® ROD HM
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Resistencia a la tracción ASTM D3039 Módulo de elasticidad ASTM D3039 Deformación ASTM D3039 Area Carga ultima ASTM D3039 Peso lineal
ø 5 mm ø 7.5 mm 2300 MPa 2300 MPa 200 GPa 200 GPa 1.4% 1.4% 19 mm2 44 mm2 45 kN 101 kN 40 gr/m 72 gr/m
ø 16 mm 2300 MPa 130 GPa 1.8% 200 mm2 460 kN 340 gr/m
OTRAS APLICACIONES CON MATERIALES FRP Refuerzo de estructuras construidas en proximidad al mar Uno de los problemas más importantes de las estructuras construidas en proximidad al mar es la corrosión del acero de refuerzo, el que se deteriora muy rápidamente si no es tratado y protegido adecuadamente antes de su puesta en obra, desafortunadamente la protección del acero es muy costosa y no siempre
puede garantizar una durabilidad muy extensa en el tiempo. A este propósito, algunos ejemplos de aplicación de materiales compuestos son: muros de contención, muelles, estructuras flotantes, pavimentaciones de cemento (FOTO 20) .
11 ARAPREE® ROD Resistencia a la tracción ASTM D3039 Módulo de elasticidad ASTM D3039 Deformación ASTM D3039 Area Carga ultima ASTM D3039 Peso lineal
ø 5.5 mm ø 7.5 mm ø 10 mm ø 12 mm 1400 MPa 1400 MPa 1400 MPa 1400 MPa 60 GPa 60 GPa 60 GPa 60 GPa 2.3% 2.3% 2.3% 2.3% 23 mm2 44 mm2 78 mm2 114 mm2 32 kN 65 kN 109 kN 150 kN 29 gr/m 57 gr/m 102 gr/m 145 gr/m
Refuerzo de estructuras y pavimentaciones en hormigón reforzado tratado con sales anti-hielo El uso de barras en material FRP elimina el problema de la corrosión en las armaduras de refuerzo, en todos aquellos casos donde son utilizados sales antihielo, por ejemplo en las carreteras, puentes o en las pavimentaciones de hormigón armado (FOTO 23), que durante la estación invernal están sujetas a la formación de hielo durante la estación invernal. El problema con el uso de sales anti-hielo es que las substancias que lo componen (normalmente sodio clorhidrato o magnesio clorhidrato) penetran en los poros del hormigón alcanzando la armadura de acero, la cual una vez a contacto con estas substancia inicia un proceso de corrosión muy rápido, lo cual
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hace muy caro el mantenimiento de estas estructuras. Por esta razón en muchos países dónde hay formación de hielo en las carreteras durante el invierno, desde muchos años se han sustituido el armadura tradicional con armadura en fibra de vidrio, la cual es insensible a las substancias arriba mencionadas. De esta manera se logra contener mucho los costes de manutención y alargar la durabilidad de las estructuras así reforzadas. Algunos ejemplos de aplicación son: losas de puentes, carreteras en concreto, barreras de separación en hormigón (Jersey) aparcamientos, muros de contención y fundaciones.
Refuerzo no-magnético y no-conductivo Hay algunos casos particulares en los cuales es necesario reforzar estructuras con un material no conductivo o transparente a los campos electromagnéticos, por ejemplo: torres de control en los aeropuertos, lugares dónde se posicionan maquinarias por la resonancia magnética en los hospitales (FOTO 24), estructuras de soporte de torres eléctricas, estructuras de soporte de radares, pavimentaciones dónde alojan las turbinas en las centrales hidroeléctricas. En todos estos casos, no sólo el empleo de un material de refuerzo ferroso perjudicaría el funcionamiento
de la estructura o de los aparatos, sino que también arriesgaría de corroerse muy rápidamente debido a la corrosión galvánica inducida por la electricidad. Así que la única alternativa económicamente ventajosa y estructuralmente segura es de reemplazar la armadura tradicional de hierro con una armadura en material compuesto cuáles son las barras en fibra de vidrio Glasspree® o en fibra de aramida Arapree®, las cuales además de ser insensibles y transparentes a los campos electromagnéticos no son conductivas y garantizan el refuerzo estructural necesario y previsto por todas este estructuras.
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