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Pablo Jhoel Peña TorresReforzamiento Estructural de una Viga de Concreto Armado utilizando materiales compuestos de matriz
de cemento reforzado con textiles (TRC)
Pablo Jhoel Peña Torres
Sinopsis: El rol de los materiales compuestos dentro del dominio del reforzamiento de estructuras es indiscutible. Numerosos trabajos de investigación y de aplicaciones prácticas han demostrado la eficacia de como una técnica de rehabilitación de edificios y de obras de arte con el pegado de elementos de reforzamiento exterior funcionan satisfactoriamente. En un comienzo, las placas de acero eran utilizadas como elementos de reforzamiento, pero ellos han sido remplazados progresivamente por los materiales compuestos. La utilización cada vez más frecuente de los materiales compuestos se explica de una parte debido a las propiedades mecánicas de alta performance y de otra parte, por el progreso en los procesos de su fabricación en los últimos decenios. Volviéndose más accesibles en un plano económico, los materiales compuestos son una solución muy atractiva para responder a la necesidad de reforzamiento de edificios y de obras de arte. En este documento se presenta una propuesta de reforzamiento estructural con un material de matriz cementicia cuyo comportamiento mecánico frente a solicitaciones sísmicas tiene ciertas ventajas frente al CFRP.
Palabras Clave: Materiales Compuestos, Tipo de Ruptura, Reforzamiento Estructural. 1. Introducción
En la industria de los materiales compuestos, el CFRP ha tomado un gran interés por la ventaja de resistencia y peso frente a los métodos convencionales utilizados en el reforzamiento de estructuras. La razón radica en los muy buenos comportamientos que estos materiales son susceptibles a ofrecer notablemente en términos de resistencia y de rigidez especifica. Por otro lado, el proceso de reforzamiento por CFRP es acompañado de limitaciones causada por la tenencia de fuego limitada, de una fuerte incompatibilidad con los criterios de desarrollo durable ligado al empleo del carbono, el CFRP no es un material dúctil y finalmente a causa del costo de la fibra de carbono que puede ser mortal. Esta observación justifica la oportunidad durante el uso de los procedimientos para compensar los inconvenientes antes mencionados, mientras que ofrece un rendimiento de acuerdo con los requisitos de la reparación.
El TRC es un material compuesto con la ventaja de ser un material de fibra natural no corrosiva cuya ruptura es dúctil y de multi fisuración, que permite liberar energía durante la ruptura. Estas propiedades hacen que el material de construcción TRC sea prometedor y conveniente para una vasta gama de aplicaciones estructurales de revestimiento. Es por esto que es necesario hacer investigaciones sobre este material y conocer mejor las propiedades mecánicas para su mejor utilización y comportamiento.
2. Objetivos
Determinar experimentalmente las características mecánicas del TRC afín de obtener una opción para el remplazo del CFRP.
3. Estudio Bibliográfico
La elección del método de reparación y de los materiales a colocar en obra es definida en función de la naturaleza y de la importancia del problema mostrado, teniendo en cuenta los criterios económicos de los materiales de construcción, las condiciones de construcción y de esfuerzos de sitio.
Según los casos estudiados, es necesario hacer intervenir la noción de PROTECCION de la estructura limitando los fenómenos de corrosión, la noción de REPARACION a fin de restituir las características iniciales del elemento, la noción de REFORZAMIENTO teniendo como objetivo mejorar el comportamiento de la estructura frente a condiciones estructurales modificadas o de aumentar el tiempo de vida de la estructura.
3.1 Métodos de Reparación y Reforzamiento Estructural Diferentes tecnologías de reparación y de mantenimiento de obras son normalmente utilizadas desde hace varios años. Dentro de estos trabajos de investigación, nosotros nos estamos interesando en el estudio del
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Pablo Jhoel Peña Torrescomportamiento mecánico y particularmente en los diferentes mecanismos de resistencia así como en los diferentes modos de ruptura observados en una viga de concreto armado, reforzada por pegado de materiales compuestos y sometida a la flexión.
Diferentes tecnologías de reparación y de mantenimiento de construcciones son normalmente utilizadas desde hace varios años.
- Placas pegadas de acero.
- Adhesión de armaduras complementarias. - Reparación por concreto proyectado. - Pre esfuerzo adicional
- Reparación con materiales compuestos.
Existen varios tipos de reforzamiento utilizando materiales compuestos. Los más utilizados son el reforzamiento con fibra de carbono o con fibras de vidrio. Estos métodos permiten tener buena características mecánicas; de compuestos muy ligeros y de adherencia entre interfaces son muy buenas. Esto es debido a una muy buena impregnación del pegamento. Sin embargo su resistencia al fuego no es óptima, el costo es elevado y es contaminante debido al epoxico utilizado para pegar el compuesto a la estructura.
Para paliar los problemas de los materiales compuestos antes mencionados, una nueva técnica de reforzamiento está siendo estudiada en el LGCIE (Lyon - France) utilizando matrices cementicias. Este método de reforzamiento es normalmente llamado TRC.
3.2 Textile Reinforced Concrete (TRC)
El TRC es un material compuesto con la ventaja de ser de un material de fibra natural no corrosivo. Los materiales pueden ser producidos bajo forma de placas, paneles o como una estructura enrejada, cada una de estas formas de producción necesita diferentes técnicas de conexión.
El término mortero reforzado es asociado a la utilización de mortero de nueva generación. Los morteros han evolucionado en el transcurso de los años 1990 y 2000 mejorando así las características mecánicas de los compuestos de ferrocemento, de donde la utilización de un nuevo termino más moderno “Textil-Mortero” a fin de señalar la enorme distancia que hay entre las
características del ferrocemento utilizadas en los años 70 y los textil-mortero (TRC) utilizados en nuestros días.
Figura 1. Carga de flexión de un textil reforzado de un elemento de forma U; relación
σ
−ε
a la compresión. 3.3 Comportamiento Mecánico del TRCExisten 2 familias de modelos descritos en los trabajos de investigación, los modelos deterministas del tipo ACK y los modelos semi probabilísticos.
Figura 2. Comportamiento típico del TRC a esfuerzo unidireccional.
El modelo ACK, admite que la curva esfuerzo/deformación del compuesto de matriz frágil es dividida en 3 zonas lineales que están descritas con las siguientes expresiones:
Zona I: zona lineal elástica, estado no fisurado, uno considera generalmente una adherencia perfecta entre la matriz y las fibras.
f f l m m c E V E V E1= . +
η
θ.η
. .Zona II: zona de transición de esfuerzo constante – comienzo de la fisuración. Las características de liason
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Pablo Jhoel Peña Torresentre la fibra y la matriz es el origen de esta degradación. La fisuración comienza desde que el esfuerzo
σ
mu es alcanzado, esfuerzo correspondiente al esfuerzo último de la matriz. m mu c mc E Eσ
σ
= 1.Zona III: zona de post – fisuración. Durante esta última etapa ninguna nueva fisura aparece. Las fisuras existentes pueden acentuarse (Bolster, 2007). El fracaso de la matriz es ahora completo y sólo las fibras serán capaces de tomar las fuerzas aplicadas.
f f l c E V E3 =
η
θ3.η
3. . 4. Estudio Experimental 4.1 Modelo ExperimentalNosotros hemos adoptado el modelo experimental clásico utilizado en el estudio del comportamiento mecánico de un elemento de construcción solicitado a la flexión en 4 puntos. Las vigas de concreto armado han sido sub dimensionadas a nivel de acero longitudinal.
Figura 3. Modelo Experimental Se ensayaron 4 vigas:
Viga Configuración
P1 2 Capas de TRC
P2 1 Capa de TRC + Varillas de carbono
P3 3 Capas de TRC
P4 No reforzada
4.2 Realización de Vigas de Concreto Armado
Han sido preparadas 4 vigas con las mismas dimensiones: 2.3 x 0.25 x 0.15 m3 y la misma taza de reforzamiento en las armaduras longitudinales. A continuación se describe los trabajos de elaboración de las vigas de concreto armado:
- Preparación de armaduras de acero,
- Colocación de los strain gage sobre la superficie del acero
- Vaciado del concreto en el encofrado de la viga, - Tratamiento de la superficie de la viga de concreto
armado afín de asegurar una buena adherencia entre el concreto y el reforzamiento de materiales compuestos,
- Colocación del reforzamiento mediante el pegado del material compuesto.
4.3 Daño de Vigas
Para reparar una estructura, es necesaria que previamente sea dañada. En un primer momento dañamos las vigas hasta la obtención de fisuras. Las vigas de concreto armado utilizadas, han sido realizadas de la siguiente manera:
Figura 4. Geometría y sección de la viga reforzada Características de los materiales utilizados:
Concreto: fck = 22.7 MPa et Ec = 30 000 MPa. Acero: fyk = 600 MPa et Es = 210 000 MPa.
TRC: El reforzamiento con material compuesto tiene un ancho de 145 mm y un espesor de 3.33mm por capa. Para simular un reforzamiento real, la viga es sometida a una carga hasta la fluencia del acero. Esto induce una primera abertura de fisuras. La viga es luego descargada, lo cual tiene por consecuencia el cierre de fisuras bajo el efecto del esfuerzo a tracción en los aceros.
1m
0.7m 0.6m 0.7m
28 Shear stirrupφ 6mm 2 Steel rebarsφ 8 mm
2 Steel rebarsφ 12 mm 2 φ 12 mm 2φ 8 mm LVDT transducer bf 0.15m hf 0. 25m Strain gauges on concrete Output strain gauges
on steel rebar
12 x 7 12 x 7
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Pablo Jhoel Peña TorresFigura 5. Fisuración de la viga antes del reforzamiento.
Figura 6. Comparación de las curvas Carga–Flecha de las vigas dañadas.
4.4 Ensayo de las vigas reforzadas
Una vez dañada la viga, colocamos el TRC en las vigas. Esta etapa será llevada hasta la ruptura de la viga reparada.
Figura 7. Carga de la viga reforzada con TRC
Figura 8. Ilustración de las fisuras luego del reforzamiento.
Se ha ensayado 4 vigas con diferentes reforzamientos. El procedimiento experimental es idéntico para los 4 casos de reforzamiento, la viga de referencia es una viga sin reforzamiento.
Figura 9. Comparación de las curvas Carga–Flecha de las vigas reparadas.
4.5 Modos de ruptura global observados
El análisis de los modos de ruptura permite darse una idea del comportamiento del compuesto y de determinar la eficacia de este. La carga de ruptura permite comparar los resultados teóricos frente a los resultados experimentales. En nuestro caso tenemos lo siguiente: - 2 Capas de TRC (P1) – Ruptura por perdida de
adherencia
- 1 Capa de TRC + Varillas de Carbono (P2) – Ruptura del compuesto y el concreto
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Pablo Jhoel Peña Torres- 3 Capas de TRC (P3) – Ruptura del Compuesto a tracción (Ruptura del refuerzo).
- P4 (No reforzada) – Ruptura del Concreto
4.6 Comportamiento Local de la Estructura. - Deformación del acero
El compuesto utilizado como refuerzo parece no incidir en el nivel de deformación del acero, como se muestra en la siguiente figura.
Figura 10. Grafica Carga - deformación del acero.
- Deformación del concreto
El comportamiento mecánico a la flexión del concreto es sensiblemente reducido.
Figura 11. Grafica Carga - deformación del concreto. 4.7 Variación del eje neutro
Como ejemplo colocamos los resultados de la viga P1 con 2 capas de TRC.
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Pablo Jhoel Peña TorresEl comportamiento del eje neutro muestra un valor constante hasta la carga ELS (Estado Limite de Servicio) es aplicada luego de esto el eje neutro comienza a subir hasta llegar la carga ELU (Estado Limite Ultimo). 4.7 Espaciamiento de fisuras
Luego de ensayar las vigas hasta su ruptura, se obtienen un espaciamiento medio sobre toda la viga y sobre el centro de la viga.
Espaciamiento
Medio P1 P2 P3 P4
Todo (cm) 8,43 8,25 7,81 8,53 Centro (cm) 8,41 9,04 8,43 9,42 Tabla 1. Espaciamiento medio de la fisuración en la viga
Se analiza el parámetro EA para conocer la influencia del aporte de la rigidez del compuesto sobre toda la viga.
EA (MN) Espaciamiento en el centro (cm) P1 (2 TRC) 1.79 8,41 P2 (1 TRC + Joncs) 1,44 9,04 P3 (3 TRC) 2.68 8,43 P4 (No reforzada) 0,00 9,42
Tabla 2. Espaciamiento medio en el centro de la viga, donde se encuentra el momento máximo.
Figura 13. Grafica EA vs. Espaciamiento medio en el centro de la viga
4.8 Estudio Analítico
Figura 14. Grafica comparativa Carga vs. Flecha de las vigas reparadas.
Figura 15. Grafica comparativa Momento vs. Curvatura de las vigas reparadas.
Comparación de flechas
flecha (mm) Experimental Teórica E / T
No reforzada (P4) ELS 8,071 6,24 129% ELU 31,643 29,72 106% 1 Capa de TRC + Joncs (P2) ELS 8,016 6,27 128% ELU 25,261 29,87 85% 2 Capas de TRC (P1) ELS 6,761 6,28 108% ELU 23,173 29,91 77% 3 Capas de TRC (P3) ELS 9,313 6,30 148% ELU 27,873 30,01 93%
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Pablo Jhoel Peña Torres Comparación de cargasCarga (mm) Experimental Teórica E / T
No reforzada (P4) ELS 70,775 79,71 89% ELU 86,6 80,47 108% 1 Capa de TRC + Joncs (P2) ELS 69,375 83,70 83% ELU 97,875 97,24 101% 2 Capas de TRC (P1) ELS 76,9 84,49 91% ELU 105,275 103,82 101% 3 Capas de TRC (P3) ELS 75,025 86,47 87% ELU 101,5 115,31 88% 5. Conclusiones
• Anteriormente se ha intentado caracterizar el comportamiento del TRC como refuerzo de una viga sometida a la flexión. El resultado de esta caracterización es que el TRC muestra un comportamiento quasi dúctil.
o El espaciamiento de fisuras muestra una disminución cuando se produce un aumento de reforzamiento.
o La comparación entre las cargas teóricas y experimentales muestran un diferencial positivo para el ELU, salvo en el ensayo de 3 capas de TRC; y muestran un diferencial negativo en todos los casos para el ELS. o La utilización del TRC como alternativa al
CFRP para reforzamiento de estructuras parece ser una buena decisión debido a las ventajas mecánicas y medioambientales. • Identificación de modos de ruptura diferentes en una
estructura, esto implicaría mejores comportamientos estructurales frente a movimientos sísmicos.
• Puesta en evidencia de los potenciales del TRC y de las soluciones hibridas (TRC + Varillas de Carbono) en el contexto de la reparación.
• Oportunidad de optimizar estas soluciones basadas en una mejor configuración del material compuesto.
6. Agradecimientos
• Al LGCIE – Site BOHR de la Université Claude Bernard – Lyon (Francia) por haber permitido realizar este trabajo de investigación en sus instalaciones.
• A los investigadores que laboran en LGCIE – Site BOHR por su asesoramiento para este proyecto. 7. Bibliografía
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• CONTAMINE Raphael, Contribution à l’étude du comportement mécanique de composites Textile-Mortier. APPLICATION A LA REPARATION ET/OU RENFORCEMENT DE POUTRES EN BETON ARME VIS-A-VIS DE L’EFFORT TRANCHANT, Thèse de doctorat, Institut national des sciences appliquées de Lyon, Villeurbanne, France; 2010.
• Jens Hartig, Influence of bond properties on the tensile behaviour of Textile Reinforced Concrete, Institute of Concrete Structures, Technische Universität Dresden, Germany, 2008.
• Jens Hartig, A model for Textile Reinforced Concrete under imposed uniaxial deformations, Institute of Concrete Structures, Technische Universität Dresden, Germany, 2011.
• Renauld Favre, Jean-Paul Jaccoud, Oliver Burdet, Dimensionnement des Structures en Béton, Ecole Polytechnique fédérale de Lausanne, Lausanne, 1997.
• François Frey, Analyse des structures et milieu continus, MECANIQUE DES STRUCTURES, USA, 1969.
• Eurocode 2, « Calcul des structures en béton », NF EN 1992-1-1 Octobre 2005
• P. HAMELIN, « AFGC - Réparation et renforcement des structures en béton au moyen des matériaux composites - Recommandations provisoires », PH-JUIN 2010.V2
