Análisis de los modelos de comportamiento de vigas de hormigón armado reforzadas a cortante con polímeros armados con fibras (frp). Validación y calibración experimental

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(1)UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID E.T.S.I. DE CAMINOS CANALES Y PUERTOS. ANÁLISIS DE LOS MODELOS DE COMPORTAMIENTO DE VIGAS DE HORMIGÓN ARMADO REFORZADAS A CORTANTE CON POLÍMEROS ARMADOS CON FIBRAS (FRP). VALIDACIÓN Y CALIBRACIÓN EXPERIMENTAL. TESIS DOCTORAL. ALBERT LEONARD ALZATE RAMÍREZ INGENIERO CIVIL. 2012.

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(3) DEPARTAMENTO DE MECÁNICA DE LOS MEDIOS CONTINUOS Y TEORÍA DE ESTRUCTURAS. E.T.S.I. DE CAMINOS CANALES Y PUERTOS. DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN. INSTITUTO EDUARDO TORROJA DE CIENCIAS DE LA CONSTRUCCIÓN - CSIC. ANÁLISIS DE LOS MODELOS DE COMPORTAMIENTO DE VIGAS DE HORMIGÓN ARMADO REFORZADAS A CORTANTE CON POLÍMEROS ARMADOS CON FIBRAS (FRP). VALIDACIÓN Y CALIBRACIÓN EXPERIMENTAL. ALBERT LEONARD ALZATE RAMÍREZ INGENIERO CIVIL. DIRECTOR ANGEL LUIS ARTEAGA IRIARTE DOCTOR INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS. 2012.

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(5) Tribunal nombrado por el Mgfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid, el dı́a de de 20 .. Presidente : Vocal: Vocal: Vocal: Secretario: Suplente: Suplente:. Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el dı́a de de 20 en la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la U.P.M.. Calificación:. EL PRESIDENTE. LOS VOCALES. EL SECRETARIO.

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(7) Este trabajo está dedicado a: Mis padres Martha y Raúl, mi hermano Raúl y en memoria de mi hermana Lina..

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(9) Agradecimientos “La gratitud es una flor que brota del alma” Henry W. Beecher Esta tesis está basada en el proyecto de investigación 80010/A04 llevado acabo en el Instituto Eduardo Torroja de Ciencias de la Construcción en colaboración con la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). La financiación de este proyecto ha sido suministrada por el Ministerio de Fomento. entre el año 2006 y 2010. Desde que decidı́ embarcarme en la gran aventura de realizar un doctorado, he contado siempre con la suerte de dar con personas maravillosas que ya sea por su buena disposición y diligencia, ayuda, consejos y apoyo, han hecho que este trabajo llegue a buen puerto y aunque al final sea presentado a titulo personal, es el logro de todos aquellos que directa o indirectamente participaron en él. En primer lugar agradecer a mi director el Dr. Ángel Arteaga Iriarte quien ha estado presente en el proceso de este trabajo y cuyos consejos e indicaciones han ayudado al cumplimiento de los objetivos propuestos. De él me llevo su excelencia profesional y su calidad humana cuyo ejemplo es la mayor de la enseñanzas. De igual manera agradecer a la Ing. Ana de Diego por su apoyo, colaboración y el aporte de sus conocimientos y experiencia. De ella me llevo su gran corazón y una buena amistad. También expresar mi gratitud al Ing. Daniel Cisneros, compañero de oficina y amigo, por su desinteresada ayuda en la etapa final de dicho trabajo. Agradezco también a todos mis compañeros del Departamento de construcción y al personal de la nave de ensayos del Instituto Eduardo Torroja de Ciencias de la Construcción (IETcc-CSIC), por compartir sus conocimientos y experiencia en pro de este trabajo. A mis compañeros y amigos Carlos, Miguel, Ramón, Lina, Sonia y Javier por los momentos compartidos. Quiero agradecer especialmente al Dr. Luis Felipe Maya compañero de oficina, trabajador incansable, profesional intachable y estimado amigo por el aporte de sus conocimientos y el apoyo moral que me brindo durante todo este proceso El trabajo aquı́ presentado no hubiese sido posible sin un apoyo económico que permitiese mi manutención durante el tiempo de duración del mismo, por tal razón i.

(10) quiero agradecer al Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno de España, promotor de las becas de Formación de Personal Investigador (FPI), una de las cuales me fue concedida, la de referencia BES2006-12211 y gracias a esta he podido concentrar todos mis esfuerzos al trabajo plasmado en esta tesis. También agradecer a Basf y Sika por el suministro del material y por el apoyo técnico brindado Finalmente pero no menos importante, a toda mi familia quienes me apoyaron en todo momento y que a pesar de la distancia siempre estuvieron ahı́ para mi.. ii.

(11) Resumen. Los polı́meros armados con fibras (FRP) se utilizan en refuerzos de estructuras de hormigón debido sobre todo a sus excelentes propiedades mecánicas, su resistencia a la corrosión y a su ligereza que se traduce en facilidad y ahorro en el transporte, puesta en obra y aplicación, la cual se realiza de forma muy rápida, con pocos operarios y utilizando medios auxiliares ligeros, minimizándose las interrupciones del uso de la estructura y las molestias a los usuarios. Las razones presentadas anteriormente, han despertado un gran interés por parte de diferentes grupos de investigación a nivel mundial y que actualmente se encuentran desarrollando nuevas técnicas de aplicación y métodos de cálculo. Sin embargo, las investigaciones realizadas hasta la fecha, muestran un procedimiento bien definido y aceptado en lo referente al cálculo a flexión, lo cual no ocurre con el refuerzo a cortante y aunque se ha demostrado que el refuerzo con FRP es un sistema eficaz para incrementar la capacidad última frente a esfuerzos cortantes, también se pone de manifiesto la necesidad de más estudios experimentales y teóricos para avanzar en el entendimiento de los mecanismos involucrados para este tipo de refuerzo y establecer un procedimiento de diseño apropiado que maximice las excelentes propiedades de este material. Los modelos que explican el comportamiento del refuerzo a cortante de elementos de hormigón armado son complejos y sin transposición directa a fórmulas ingenieriles. Las normas actualmente en vigor, generalmente, establecen empı́ricamente la capacidad cortante como la suma de las capacidades del hormigón y el refuerzo transversal de acero. Cuando un elemento es reforzado externamente con FRP, los modelos son evidentemente aun más complejos. Las guı́as y recomendaciones existentes proponen calcular la capacidad del elemento añadiendo la resistencia aportada por el refuerzo externo de FRP a la ya dada por el hormigón y acero transversal. Sin embargo, la idoneidad de este acercamiento es cuestionable puesto que no tiene en cuenta una posible interacción entre refuerzos. Con base en lo anterior se da origen al tema objeto de este trabajo, el cual está orientado al estudio a cortante de elementos de hormigón armado (HA), reforzados externamente con material compuesto de tejido unidireccional de fibra iii.

(12) de carbono y resina epoxi. Inicialmente se hace una completa revisión del estado actual del conocimiento de la resistencia a cortante en elementos de hormigón armado con y sin refuerzo externo de FRP, prestando especial atención en los mecanismos actuantes estudiados hasta la fecha. La bibliografı́a consultada ha sido exhaustiva y actualizada lo que ha permitido el estudio de los modelos propuestos más importantes, tanto para la descripción del fenómeno de adherencia entre hormigón-FRP como de la valoración del aporte al cortante total hecho por el FRP, a través de sendas bases de datos de ensayos de pull-out y de vigas de hormigón armado ensayadas a cortante. Con base en todo lo anterior, se expusieron los mecanismos actuantes en el aporte a cortante hecho por el FRP en elementos de hormigón armado y la forma como las principales guı́as de cálculo existentes hasta la fecha los abordan. De igual forma se define un modelo de resistencia de esfuerzos para el FRP y se proponen dos modelos para el cálculo de las tensiones o deformaciones efectivas, de los cuales uno esta basado en el modelo de adherencia propuesto por Oller (2005) y el otro en una regresión multivariante para los mecanismos expuestos. Como complemento del estudio de los trabajos encontrados en la literatura, se lleva acabo un programa experimental que, además de aportar más registros a la exigua base de datos existentes, aporte mayor luz a los puntos que se consideran están deficientemente resueltos. Dentro de este programa se realizaron 32 ensayos sobre 16 vigas de 4.5 m de longitud (dos ensayos por viga), reforzadas a cortante con tejido unidireccional de CFRP. Finalmente, estos estudios han permitido proponer modificaciones a las formulaciones existentes en los códigos y guı́as en vigor.. iv.

(13) Abstract. Its excellent mechanical properties, as well as its corrosion resistance and light weight, which make it easy to apply and inexpensive to ship to the worksite, are the basis of the extended use of fiber reinforced polymer (FRP) as external strengthening for structures. FRP strengthening is a rapid operation calling for only limited labor and lightweight ancillary equipment, all of which minimizes both the interruption of facility usage and user inconvenience. These advantages have aroused considerable interest in civil engineering science and technology and have led to countless applications the world over. Research studies on the shear strength of FRP-strengthened members have been much fewer in number and more controversial than the research on flexural strengthening, for which a more or less standardized and generally accepted procedure has been established. The research conducted and a host of applications around the world have shown that FRP strengthening is an effective technique for raising ultimate shear strength, but it has also revealed a need for further experimental and theoretical research to advance in the understanding of the mechanisms involved and establish suitable design procedures that optimize the excellent properties of this material The models that explain reinforced concrete (RC) shear strength behavior are complex and cannot be directly transposed to engineering formulas. The standards presently in place generally establish shear capacity empirically as the sum of the capacities of the concrete and the passive reinforcement. When members are externally strengthened with FRP, the models are obviously even more complex. The existing guides and recommendations propose calculating capacity by adding the external strength provided by the FRP to the contributions of the concrete and passive reinforcement. The suitability of this approach is questionable, however, because it fails to consider the interaction between passive reinforcement and external strengthening. The subject of this work is based in above, which is focused on externally shear strengthening for reinforced concrete members with unidirectional carbon fiber sheets bonded with epoxy resin. v.

(14) Initially a thorough literature review on shear of reinforced concrete beams with and without external FRP strengthening was performed, paying special attention to the acting mechanisms studied to date, which allowed the study of the most important models both to describe the bond phenomenon as well as calculating the FRP shear contribution, through separate databases of pull-out tests and shear tests on reinforced concrete beams externally strengthened with FRP. Based on above, they were exposed the acting mechanisms in a FRP shear strengthening on reinforced concrete beams and how guidelines deal the topic. The same way, it is defined a FRP stress strength model and two more models are proposed for calculating the effective stress, one of these is based on the Oller (2005) bond model and another one is the data best fit, taking into account most of the acting mechanisms. To complement the theoretical part we develop an experimental program that, in addition to providing more records to the meager existing database provide greater understanding to the points considered poorly resolved. The test program included 32 tests of 16 beams (2 per beam) of 4.5 m long, shear strengthened with FRP, externally. Finally, modifications to the existing codes and guidelines are proposed.. vi.

(15) Tabla de contenido Agradecimientos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. I. Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. III. Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. V. Tabla de contenido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. VII. Lista de tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. XI. Lista de figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. XIII. Notación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. XVII. Capı́tulo 1. Introducción . . . . . 1.1 Motivación . . . . . . . . . . 1.2 Antecedentes e identificación 1.3 Objetivos . . . . . . . . . . 1.3.1 General . . . . . . . 1.3.2 Especı́ficos . . . . . . 1.4 Estructura del trabajo . . .. . . . . del . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. Capı́tulo 3. Rehabilitación de estructuras de hormigón armado 3.1 Técnicas de rehabilitación tradicionales . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Refuerzo mediante recrecido con hormigón armado . . . 3.1.2 Refuerzo mediante perfiles metálicos . . . . . . . . . . .. . . . .. . 15 . . 17 . . 17 . . 17. Capı́tulo 2. Polı́meros Armados con Fibra 2.1 Componentes de los FRP . . . . . . . . 2.1.1 Fibras . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Matrices . . . . . . . . . . . . . 2.1.3 Material compuesto . . . . . . . 2.2 Propiedades mecánicas de los FRP . . 2.3 Durabilidad . . . . . . . . . . . . . . .. vii. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .. 1 1 2 3 3 3 4. . . . . . .. 7 7 7 9 10 11 13.

(16) . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. Capı́tulo 4. Adherencia en la unión FRP–hormigón . . 4.1 Trabajos experimentales de adherencia . . . . . . . . . 4.2 Modelos de adherencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Modelos empı́ricos . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Modelos basados en mecánica de fractura . . . . 4.3 Adherencia en ensayos de cortante . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Descripción de la base de datos de cortante . . . 4.3.2 Comparación con base de datos . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. 3.2. 3.1.3 Refuerzo mediante láminas de acero 3.1.4 Refuerzo mediante postensado de la Los FRP como técnica de rehabilitación . 3.2.1 Refuerzo a Flexión . . . . . . . . . 3.2.2 Refuerzo a Cortante . . . . . . . . 3.2.3 Confinamiento . . . . . . . . . . . .. . . . . . . estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Capı́tulo 5. Resistencia a cortante y modelos de cálculo . . . . . . . 5.1 Resistencia a cortante en vigas de HA . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1.1 Elementos sin armadura transversal . . . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Elementos con armadura transversal . . . . . . . . . . . . . 5.2 Resistencia a cortante en vigas de HA reforzadas con FRP . . . . . 5.2.1 Modelos de resistencia a esfuerzos cortantes . . . . . . . . . 5.2.2 Cálculo de las tensiones efectivas según modo de fallo . . . . 5.2.3 Distribución de tensiones aplicada al modelo de adherencia de Oller (2005) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Interacción entre refuerzos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capı́tulo 6. Programa Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Descripción y fabricación de las vigas . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Refuerzo de las vigas con FRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Instrumentación y descripción de los ensayos . . . . . . . . . . . . . 6.4 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Cortante de rotura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2 Modos de fallo y perfiles de fisuración . . . . . . . . . . . . . 6.4.3 Desplazamiento vertical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.4 Deformación en los estribos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.5 Deformaciones en el FRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.6 Interacción entre refuerzos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.7 Expresión de cálculo para el factor Ks . . . . . . . . . . . . 6.4.8 Comparación de los resultados experimentales y los modelos teóricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii. . . . . . .. 18 19 19 20 22 25. . . . . . . .. 31 32 37 38 40 55 56 57. . . . . . .. 59 60 61 63 73 75 77. . 90 . 92. . . . . . . . . . . .. 105 106 108 110 111 111 112 114 116 117 118 119. . 121.

(17) Capı́tulo 7. Recomendaciones de cálculo . . . . . . . . . . . . . 7.1 Capacidad a cortante de elementos de HA reforzados con FRP 7.1.1 Formato Eurocódigo (Eurocódigo 2, 2010) . . . . . . . 7.1.2 Formato EHE (2008) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Coeficientes parciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.1 CNR (2004) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Concrete Society (2000) . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3 fib (2001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.4 Teng et al. (2002) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.5 ACI 440.2R (2008) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .. Capı́tulo 8. Conclusiones y trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . 8.1 Conclusiones basadas en el análisis de los trabajos de adherencia . . 8.2 Conclusiones basadas en el análisis de los modelos de cortante para el FRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Conclusiones basadas en el programa experimental . . . . . . . . . . 8.4 Conclusiones basadas en las recomendaciones de cálculo . . . . . . . 8.5 Recomendaciones para trabajos futuros . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 127 129 129 132 132 133 134 134 135 135. 137 . 138 . . . .. 138 139 141 142. Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Anexo A.. Base de datos de ensayos de adherencia . . . . . . . . . 155. Anexo B. Resultados gráficos B.1 Viga de Control . . . . . . B.2 U90S5-a . . . . . . . . . . B.3 U90S5-b . . . . . . . . . . B.4 U90C5-a . . . . . . . . . . B.5 U90C5-b . . . . . . . . . . B.6 U45S5(L) . . . . . . . . . B.7 U45S5(C) . . . . . . . . . B.8 W90S5 . . . . . . . . . . . B.9 U90S3-a . . . . . . . . . . B.10 U90S3-b . . . . . . . . . . B.11 U90S3-c . . . . . . . . . . B.12 U90C3-a . . . . . . . . . . B.13 U90C3-b . . . . . . . . . . B.14 U45S3-a(L) . . . . . . . . B.15 U45S3-a(C) . . . . . . . . B.16 U45S3-b(L) . . . . . . . . B.17 U45S3-b(C) . . . . . . . .. para cada viga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 159 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175.

(18) B.18 W90S3-a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 B.19 W90S3-b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177. x.

(19) Lista de tablas Tabla 2.1 Tabla 2.2. Propiedades de las matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Propiedades mecánicas tı́picas de compuestos de GFRP, CFRP y AFRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13. Tabla 4.1 Tabla 4.2. Precisión de los principales modelos de adherencia . . . . . . . 56 Tensiones de adherencia (Oller, 2005) vs. tensiones efectivas ensayos de cortante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58. Tabla 5.1 Tabla 5.2. Medidas estadı́sticas en los modelos de cortante para el FRP Medidas estadı́sticas para el modelo de Oller (2005) con distribución de tensiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rol de los factores que influencian el EBR-FRP, en las actuales guı́as de cálculo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parámetros de la expresión Kf para refuerzo en U . . . . . . Dispersión en modelos considerando Kf . Configuración en U Parámetros de la expresión Kf para refuerzo lateral (S) . . . Dispersión en modelos considerando Kf para refuerzo lateral (S) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dispersión de los modelos propuestos, respecto a ensayos de cortante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Tabla 5.3 Tabla Tabla Tabla Tabla. 5.4 5.5 5.6 5.7. Tabla 5.8. Tabla Tabla Tabla Tabla Tabla. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5. . 88 . 91 . . . .. 93 95 96 97. . 98 . 103. Tabla 6.7. Programa de ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propiedades del tejido y la resina epoxi . . . . . . . . . . . . Resistencia máxima a cortante . . . . . . . . . . . . . . . . . Deformación experimental en los estribos para refuerzo en U Deformación experimental en los estribos para la sección completamente envuelta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contribución a cortante dado por refuerzo externo con tejido de CFRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Deformaciones en el FRP en carga máxima . . . . . . . . . .. Tabla 7.1 Tabla 7.2. Coeficiente γRd dado por el CNR . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Coeficiente γm dado por el CNR . . . . . . . . . . . . . . . . . 134. Tabla 6.6. xi. . . . .. 106 109 112 120. . 121 . 122 . 124.

(20) Tabla 7.3 Tabla 7.4 Tabla 7.5. Coeficiente γm dado por el Fib . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Coeficiente γm dado por Teng et al. . . . . . . . . . . . . . . . 135 Coeficiente ψf dado por el ACI . . . . . . . . . . . . . . . . . 135. xii.

(21) Lista de figuras Figura 2.1 Figura 2.2 Figura 2.3 Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Figura Figura Figura Figura. 3.4 3.5 3.6 3.7. Figura 3.8 Figura 3.9. Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura. Propiedades de diferentes tipos de fibra y acero convencional (Carolin, 2003) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Disposición hexagonal de la red de átomos de carbono . . . . 8 Diferentes formas de presentación del FRP . . . . . . . . . . . 11 Tensiones y deformaciones en sección reforzada . . . . . . . Modelos constitutivos de los materiales . . . . . . . . . . . . Modos de fallo de una viga de HA reforzada a flexión con láminas de FRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Esquemas de refuerzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modos principales de fallo por cortante . . . . . . . . . . . . Métodos de refuerzo de confinamiento . . . . . . . . . . . . . Acción de confinamiento. (a) Secciones circulares y (b) Secciones rectangulares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Efecto sobre el confinamiento por separación del refuerzo. (a) Cercos y (b) FRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comportamiento del hormigón confinado y sin confinar, según modelo de Spoelstra y Monti (1999) . . . . . . . . . . . . . .. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10. Ensayos de adherencia: pull-out(a) y (b) y beam-test (c) . . Modificación del ensayo de cortante doble (doble pull-out) . Ensayo tipo viga (ASTM C78) . . . . . . . . . . . . . . . . . Predicciones - Modelo de Tanaka . . . . . . . . . . . . . . . Predicciones - Modelo de Hiroyuki y Wu . . . . . . . . . . . Predicciones - Modelo de Maeda et al. . . . . . . . . . . . . Predicciones - Modelo de Khalifa et al. . . . . . . . . . . . . Predicciones - Modelo de Chaallal et al. . . . . . . . . . . . Equilibrio en la interfaz FRP–hormigón . . . . . . . . . . . . Modelos de cortante–deslizamiento para la interfaz FRPhormigón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 4.11 Predicciones - Modelo de Van Gemert . . . . . . . . . . . . . Figura 4.12 Predicciones - Modelo de Holzenkämpfer . . . . . . . . . . . Figura 4.13 Predicciones - Modelo de Neubauer y Rostasy . . . . . . . . xiii. . 20 . 20 . . . .. 21 22 24 26. . 27 . 28 . 30 . . . . . . . . .. 31 36 36 38 39 39 40 41 41. . . . .. 42 43 44 45.

(22) Figura 4.14 Predicciones - Modelo de Neubauer . . . . . . . . . . . . . . . 46 Figura 4.15 Predicciones - Modelo de Niedermeier . . . . . . . . . . . . . . 46 Figura 4.16 Predicciones - Modelo de Chen y Teng . . . . . . . . . . . . . 47 Figura 4.17 Proceso de despegue en un ensayo de adherencia para laminados (a) largos y (b) cortos . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Figura 4.18 Predicciones - Modelo de Brosens . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Figura 4.19 Predicciones - Modelo del CNR . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Figura 4.20 Predicciones - Modelo de Oller . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Figura 4.21 Modelos τ vs. δ propuestos por Lu et al. (2005a) . . . . . . . . 52 Figura 4.22 Predicciones - Modelos de Lu et al. . . . . . . . . . . . . . . . 54 Figura 4.23 Plano de fallo definido por Seracino et al. (2007) . . . . . . . . 55 Figura 4.24 Predicciones - Modelo de Seracino et al. (2007) . . . . . . . . 55 Figura 4.25 Comparación - ff e,exp (Ensayos de cortante) vs. ff e (Modelo de Oller (2005) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Figura 5.1. Regiones B y D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59. Figura 5.2. Momento flector de rotura en elementos sin armadura Transversal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60. Figura 5.3. Fuerzas internas en una viga fisurada sin refuerzo transversal . 62. Figura 5.4. Fuerzas internas en una viga fisurada con refuerzo transversal. Figura 5.5. Zonas que conforman cada elemento de la celosı́a . . . . . . . 66. Figura 5.6. Elemento membrana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69. Figura 5.7. (a) Equilibrio en tensiones promedio, y (b) Compatibilidad en deformaciones promedio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70. Figura 5.8. Tensiones transmitidas a través de una fisura . . . . . . . . . . 71. Figura 5.9. Modelo de analogı́a de la celosia para el refuerzo con FRP . . 76. 64. Figura 5.10 Esquema, nomenclatura y fuerzas actuantes en refuerzos en U o S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Figura 5.11 Longitud máxima de adherencia. (a) Configuración en U y (b) Pegado lateral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Figura 5.12 Vf,exp vs. Vf,teo , modelo de la fib (2001) . . . . . . . . . . . . . 80 Figura 5.13 Factor de distribución de tensiones Df para configuración en U y pegado lateral (Chen y Teng, 2003b). . . . . . . . . . . . 82 Figura 5.14 Vf,exp vs. Vf,teo , modelo de Teng et al. (2002) . . . . . . . . . . 83 Figura 5.15 Perfil de tensiones CNR (2004). (a) Pegado lateral, (b) Configuración en U y (c) Sección completamente envuelta . . 84 Figura 5.16 Vf,exp vs. Vf,teo , modelo del CNR (2004) . . . . . . . . . . . . . 86 Figura 5.17 Vf,exp vs. Vf,teo , modelo del ACI 440.2R (2008) . . . . . . . . . 89 xiv.

(23) Figura 5.18 Vf,exp vs. Vf,teo - Aplicando distribución de tensiones al modelo de Oller (2005). (a) El propuesto por Chen y Teng (2003b) y (b) El propuesto por el CNR (2004) . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.19 Vf,exp vs. Vf,teo , modelo de Mofidi y Chaallal (2011) . . . . . Figura 5.20 Ajuste para el factor de corrección Kf para refuerzo en U. (a) Oller–Df y (b) Fib (2001) . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.21 Aporte a cortante del FRP considerando Kf para refuerzo en U. (a) Oller–Df y (b) Fib (2001) . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.22 Ajuste para el factor de corrección Kf para refuerzo lateral (S). (a) Oller–Df y (b) Fib (2001) . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.23 Aporte a cortante del FRP considerando Kf para refuerzo lateral (S). (a) Oller–Df y (b) Fib (2001) . . . . . . . . . . . Figura 5.24 Aporte a cortante del FRP - Modelo multivariante, (a) con ρsl Es y (b) sin ρsl Es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5.25 Aporte a cortante del FRP - Modelo simplificado, (a) con ρsl Es y (b) sin ρsl Es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14. Esquema de refuerzo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instrumentación de los cercos y posición de la armadura . . Hormigonado, vibrado y obtención de las probetas . . . . . . Preparación de la superficie de la viga . . . . . . . . . . . . Colocación del refuerzo externo . . . . . . . . . . . . . . . . Configuración de las bandas extensométricas . . . . . . . . . Configuración de los ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fallo de la viga de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fallo en vigas con configuración en U o 90o con separación . Fallo en vigas con configuración en U a 90o continua . . . . Fallo en vigas con configuración en U a 45o con separación . Fallo en vigas con la sección completamente envuelta . . . . Planos tı́picos de fisura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cortante–flecha en centro de vano, vano largo ((a) y (b)) y corto ((c) y (d)), con 530 g/m2 ((a) y (c))) y 300 g/m2 de fibra((b) y (d))) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 6.15 Deformación en los estribos para vano largo ((a) y (b)) y corto ((c) y (d)) con 530 g/m2 ((a) y (c)) y 300 g/m2 (de fibra (b) y (d)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 6.16 Deformación máxima en el FRP para las vigas largas y cortas con: (a) 530 g/m2 y (b) 300 g/m2 de fibra . . . . . . . . . . Figura 6.17 Comparación entre las deformaciones en los estribos y el CFRP en una misma viga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv. . 91 . 93 . 95 . 96 . 97 . 98 . 101 . 102 . . . . . . . . . . . . .. 107 107 108 109 109 110 111 113 113 113 114 114 115. . 115. . 117 . 118 . 118.

(24) Figura 6.18 Deformación experimental en los estribos vs. ρsv Es + ρf Ef para refuerzo en U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Figura 6.19 Deformación experimental en los estribos vs. ρsv Es + ρf Ef para la sección completamente envuelta . . . . . . . . . . . . . 121 Figura 6.20 Contribución a cortante del refuerzo externo con bandas de CFRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123. xvi.

(25) Notación Cada sı́mbolo o abreviación se explica en el texto principal cuando este aparece por por primera vez. Una lista completa de todos ellos se presenta a continuación.. Letras Romanas en Mayúsculas Ac. Área de hormigón. Ag. Área transversal del pilar. Ast. Área del acero transversal. As. Área del refuerzo longitudinal. Au. Área de hormigón sin confinar. C. Fuerza de compresión en el hormigón. D. Diámetro del pilar. Df. Factor de distribución de tensiones definido por Teng et al. (2002). Ea. Módulo de elasticidad del adhesivo. Ec. Módulo de elasticidad del hormigón. Ed. Efecto de las acciones de cálculo. Ef. Módulo de elasticidad de la lámina de FRP o de la fibra (según las propiedades con que se trabaje en el cálculo). Ek. Efecto caracterı́stico de las acciones. Es. Módulo de elasticidad del acero. Ex. Módulo longitudinal en dirección de la fibra. Ey. Módulo transversal en dirección perpendicular a la fibra xvii.

(26) Ez. Módulo cortante en el plano. Ga. Módulo de cortante del adhesivo. Gc. Módulo elástico de cortante del hormigón. Gf. Energı́a de fractura especifica requerida para el despegue de los elementos adheridos. Gr. Módulo transversal de la resina entre capas. If. Segundo momento de área de la lámina de FRP. Kf. Factor de corrección para la contribución hecha por el FRP. Ks. Factor de corrección para la contribución hecha por el acero. L. Vida útil de la estructura. Lper. Longitud del plano de fallo definido por Seracino et al. (2007). Ncw. Fuerza que actúa sobre la bielas de hormigón. Nsw. Fuerza que actúa sobre los tirantes de acero. P. Resistencia de adherencia en la interfaz FRP-Hormigón. Pu. Resistencia última de adherencia en la interfaz FRP-Hormigón. Rd. Resistencia de cálculo. Rk. Resistencia caracterı́stica. T. fuerza de tracción en el refuerzo longitudinal. Va. Resistencia a cortante por el engranamiento de áridos. Vcu. Resistencia a cortante de cálculo aportada por el hormigón según EHE. Vcz. Resistencia a cortante en la zona de compresión. Vc. Resistencia a cortante aportada por el hormigón. Vd. Resistencia a cortante por el efecto dovela. VEd. Fuerza cortante de cálculo. Vf. Resistencia a cortante aportada por el FRP. Vi. Volumen del componente i xviii.

(27) VRd ,máx. Esfuerzo cortante de agotamiento por compresión oblicua en el Alma. VRd,c. Resistencia a cortante de cálculo aportada por el hormigón. VRd,f. Resistencia a cortante de cálculo aportada por el FRP. VRd. Resistencia de cálculo aportada por el refuerzo de cortante. VR. Resistencia a cortante de elementos de HA reforzados con FRP. Vsu. Resistencia a cortante de cálculo aportada por los estribos según EHE. Vs. Resistencia a cortante aportada por los estribos. Vu2. Esfuerzo cortante de agotamiento por tracción del Alma. Wi. Peso del componente i. Letras Romanas en Minúsculas b. Ancho del prisma de hormigón. bw. Ancho del alma de la viga de hormigón. cf. Constante de regresión. d. Altura efectiva de la viga. df t. Longitud medida desde el borde superior de la viga al borde superior de la lámina de FRP. df. Longitud medida desde el borde superior de la viga al borde inferior de la lámina de FRP. dj. Diámetro de la camisa de FRP. ds. Diámetro de los cercos de acero o de la espiral. fc′. Resistencia especı́fica a compresión del hormigón (ACI). fck. Resistencia caracterı́stica a compresión del hormigón. fctm. Resistencia media a tracción del hormigón. fd. Valor de la resistencia de cálculo del material. ff ed. Resistencia efectiva de cálculo para el FRP xix.

(28) ff e. Tensión a tracción efectiva de la lámina de FRP o de la fibra (según las propiedades con que se trabaje en el cálculo). ff. Tensión a tracción última lámina de FRP o de la fibra (según la variable considerada en el cálculo). fk. Valor de la resistencia caracterı́stica del material. fl. Presión de confinamiento. fy. Tension de plastificación en el acero. h. Alto del prisma (o de la viga) de hormigón. hf. Altura efectiva del FRP. k. Factor de intensidad de tensiones. kb. Factor que tiene en cuenta la influencia del ancho de la lámina de FRP. ke. constante empı́rica en kb. lb,máx. Longitud máxima de adherencia. lb. Longitud de adherencia. le. Longitud efectiva de adherencia. n. Número de capas de FRP. p. Pendiente de la hélice en refuerzo helicoidal. s. Separación entre cercos o paso de la espiral. s′. Distancia libre entre bandas de FRP. sf,máx. Separación máxima entre bandas de FRP medidas centro a centro. sf. Separación entre bandas de FRP medidas centro a centro. ta. Espesor del adhesivo. tc,ref. Espesor en el hormigón donde las tensiones están influenciadas por el refuerzo externo. tc. Espesor efectivo del hormigón cuya deformación forma parte del deslizamiento en la interfaz (Lu et al., 2005a). tf. Espesor de la lámina de FRP o de la fibra (según las propiedades con que se trabaje en el cálculo) xx.

(29) tj. Espesor de la camisa de FRP. tr. Espesor de la resina entre las capas del FRP. uf. Desplazamiento en el FRP. uf. Desplazamiento en el hormigón. wi′. Distancia libre entre dos esquinas redondeadas. wa. Ancho del adhesivo. wf e. Ancho efectivo del FRP definido por Mofidi y Chaallal (2011). wf. Ancho de la lámina de FRP. xpmax. Longitud de la región elastica donde la carga es máxima. xp. Longitud de la región elastica en un ensayo de adherencia. Letras Griegas en Minúsculas αe. Coeficiente de reducción de efectividad de confinamiento por la forma de la sección. αf. Coeficiente de reducción de efectividad de confinamiento debido a la separación entre láminas de FRP. αo. Coeficiente de reducción de efectividad de confinamiento por la orientación de las fibras. αs. Coeficiente de reducción de efectividad de confinamiento debido a la separación entre cercos. β. Inclinación del refuerzo transversal. Se debe diferenciar si es para el acero o para el FRP. βc. Factor de modificación de la fisuración. βL. Factor que tiene en cuenta la longitud de la lámina. βp. Tiene el mismo significado que kb (Chen y Teng, 2001). δ. Desplazamiento relativo (deslizamiento) en la interfaz. ηm. Coeficiente parcial que considera las diferencias sistemáticas entre un espécimen de ensayo y el valor en la estructura xxi.

(30) γc. Coeficiente parcial de seguridad para el Hormigón. γd. Coeficiente parcial para el FRP cuando el fallo es por delaminación. γmE. Coeficiente parcial que se aplica al módulo de elasticidad del FRP según el tipo de fibra. γmf. Coeficiente parcial para el FRP dado en función del tipo de fibra. γmm. Coeficiente parcial para el FRP dado según el método de fabricación. γm. Coeficiente parcial para las propiedades del material. γn. Coeficiente parcial relacionado a la clase de seguridad aplicable a la estructura. γRd. Coeficiente parcial aplicado al modelo de resistencia dado por el CNR. γR. Coeficiente parcial de las resistencias. γR. Coeficiente parcial del efecto de las acciones. κv. Coeficiente de reducción de adherencia, ACI 440.2R (2008). λ. Longitud máxima de adherencia normalizada. νi. Relación de Poisson longitudinal. ωi. Fracción de peso (o masa) del componente i. ϕ. Coeficiente de reducción de resistencia dado por el ACI. ϕR. Coeficiente de reducción por acumulación de tensiones en las esquinas. ψf. Coeficiente de reducción de resistencia para el FRP dado por el ACI. ρf. Cuantı́a de FRP a cortante. ρi. Densidad del componente i. ρj. Cuantı́a volumétrica de FRP. ρsl. Cuantı́a de acero longitudinal. ρst. Cuantı́a de acero transversal (en confinamiento). ρsv. Cuantı́a de refuerzo de acero a cortante. σc. Tensión axial en el hormigón xxii.

(31) σf,máx. Tension máxima a tracción en el FRP (según el modo de fallo) para el modelo de Teng et al. (2002). σf e. Tensión efectiva real en el FRP. σf. Tensión axial en la lámina de FRP. σj. Tensión en el FRP. σs. Tensión efectiva real en el acero. τ. Tensión cortante en la interfaz FRP-Hormigón. τmáx. Tensión cortante máxima en la interfaz FRP-Hormigón. θ. Inclinación de la fisura de cortante. υi. Fracción de volumen del componente i. εf ed. Deformación efectiva de cálculo para el FRP. εf e. Deformación efectiva en el FRP. εj=l. Deformación circunferencia de la camisa de FRP (Tomada igual a la deformación lateral en el hormigón). εsu,c. Deformación del acero en la sección critica en ELU. Abreviaciones AFRP. Polı́meros armados con fibras de aramida. CFRP. Polı́meros armados con fibras de carbono. EBR. Refuerzo pegado externamente (Externally Bonded Reinforcement). ELS. Estado lı́mite de servicio. ELU. Estado lı́mite último. FRP. Polı́meros armados con fibras (Fiber Reinforced Polymers). GFRP. Polı́meros armados con fibras de vidrio. HA. Hormigón armado. NLFM. Mecánica de fractura no lineal. NSM. Refuerzo insertado en el recubrimiento (Near Surface Mounted). xxiii.

(32)

(33) Capı́tulo 1 Introducción. 1.1.. Motivación. El cambio en las necesidades sociales, la actualización de las normativas de cálculo, el incremento en los requisitos de seguridad y el deterioro de las estructuras, llevan a la necesidad de evaluar estructuras existentes, con la necesidad, muchas veces, de incrementar su resistencia con un refuerzo adicional o demoler y reemplazarlas por obra nueva. En los sistemas tradicionales de refuerzo el incremento de resistencia se consigue aumentando la sección resistente mediante un suplemento de hormigón armado (HA) o acero. Algunas desventajas asociadas a las técnicas de refuerzo tradicionales como lo son: el alto incremento en el peso de la estructura, el aumento de sección, disminución de gálibos y la dificultad de puesta en obra, además de la corrosión en el acero, han llevado al desarrollo de técnicas alternativas. Desde la década de los 90 se viene trabajando satisfactoriamente con polı́meros armados con fibra (FRP: Fiber Reinforced Polymers) y al dı́a de hoy ya son bien conocidas las ventajas que este material presenta sobre las soluciones tradicionales en términos de peso, facilidad de puesta en obra y su resistencia a la corrosión, además de que prácticamente no aumenta las dimensiones de la sección transversal del elemento en cuestión. En el ámbito del refuerzo de estructuras con FRP, las dos técnicas más utilizadas son el refuerzo adherido externamente (EBR: Externally Bonded Reinforcement) que consiste en pegar láminas o tejidos de FRP sobre el elemento a reforzar mediante resina epoxi, y el de láminas o barras insertadas en el recubrimiento (NSM: Near Surface Mounted ) que consiste en insertar barras o láminas de FRP en cortes o surcos realizados en el recubrimiento del elemento de HA, que se rellenan con resina o pastas cementı́ceas. Este sistema permite el refuerzo a flexión y/o cortante. 1.

(34) Capı́tulo 1 El trabajo que se presenta aquı́ está enfocado en el refuerzo a cortante con FRP mediante la técnica de EBR. Para ello se lleva a cabo un estudio del estado del arte actual, un análisis de los modelos existentes y finalmente, se realiza una campaña experimental con vigas de HA reforzadas externamente con tejido unidireccional de fibra de carbono y resina epoxi sometidas a rotura a través de un ensayo estático, la cual que será expuesta mas adelante y cuyos resultados serán objeto de un análisis exhaustivo.. 1.2.. Antecedentes e identificación del problema. Los compuestos de FRP llevan cerca de 50 años en uso comercial y sus magnı́ficas propiedades son bien conocidas y ampliamente utilizadas en áreas como en la industria aeronáutica, naval o automovilı́stica, donde sus técnicas de aplicación ya están bien establecidas. En la construcción, las dos últimas décadas son las de mayor auge, tanto en reparación y rehabilitación de estructuras existentes como en construcciones nuevas. En la actualidad, la reparación y/o rehabilitación de estructuras existentes representa el campo cada vez con mas peso dentro de la construcción y con mayor proyección de futuro, debido al acelerado deterioro de las mismas por efectos medioambientales y/o cambios en las solicitaciones de servicio que llevan a magnitudes y frecuencias de cargas mas altas. Este interés está ligado a la necesidad de preservar estructuras que pueden ser patrimonio histórico o al ahorro que se puede obtener si la vida útil de una estructura puede ser incrementada en vez de ser reemplazada por una nueva. En este ámbito de la reparación de estructuras los FRP han encontrado un amplio campo de aplicación como materiales de refuerzo de elementos de HA (tales como vigas, losas, columnas, etc.) en miles de aplicaciones alrededor del mundo, donde técnicas de refuerzo convencional pueden ser problemáticas o simplemente menos adecuadas. Las razones presentadas anteriormente, han despertado un gran interés en los materiales de FRP por diferentes grupos de investigación a nivel mundial y que actualmente se encuentran desarrollando nuevas técnicas de aplicación y métodos de cálculo. Las investigaciones realizadas hasta la fecha muestran un procedimiento bien definido y aceptado en lo referente al cálculo a flexión; sin embargo, no ocurre lo mismo con el refuerzo a cortante donde, aunque se ha demostrado que el refuerzo con FRP es un sistema eficaz para incrementar la capacidad última frente a esfuerzos cortantes, los modelos teóricos propuestos han sido diferentes y controvertidos. El comportamiento frente al esfuerzo cortante es un tema complejo, que debido a la cantidad de factores influyentes no ha sido resuelto adecuadamente en el caso de HA, 2.

(35) Introducción y, por tanto, con mas razón, lo es mas aun en el caso de que añada al HA un refuerzo externo. Por este motivo no existen modelos aceptados que definan adecuadamente todos los mecanismos la resistencia que permitan su transposición a fórmulas de cálculo aceptadas universalmente. Lo dicho anteriormente da origen al tema objeto de este trabajo, orientado al estudio a cortante de elementos de HA, reforzados externamente con material compuesto de tejido unidireccional de fibra de carbono y resina epoxi (CFRP).. 1.3.. Objetivos. 1.3.1.. General. Avanzar en el comportamiento de elementos horizontales de HA reforzados a cortante con bandas1 de CFRP y la técnica EBR a través de una mejor comprensión de los mecanismos actuantes en la contribución a la resistencia a cortante hecha por el FRP, profundizar en los modelos de predicción del comportamiento y mejorar las formulaciones de cálculo propuestas hasta la fecha.. 1.3.2.. Especı́ficos. Analizar experimentalmente el comportamiento de vigas de HA a escala real (con dimensiones de 0.25×0.42×4.5 m3 ), reforzadas externamente a cortante, mediante la técnica de EBR, con tejido unidireccional de fibra de carbono. Estudiar y valorar los modelos de cálculo y de predicción del comportamiento existentes, para refuerzo a cortante con FRP. Estudiar la interacción existente entre los estribos y el FRP utilizados como refuerzo a cortante. Proponer un modelo de cálculo a través de la unificación o modificación de los ya existentes involucrando los aspectos mejor definidos en cada uno de ellos. Validación y calibración del modelo propuesto: aporte del FRP a cortante. 1. La palabra “banda” puede referirse indistintamente a láminas o tejidos de FRP. 3.

(36) Capı́tulo 1. 1.4.. Estructura del trabajo. La tesis se divide en siete capı́tulos estructurados de tal forma que ubique al lector en el contexto y lo lleve a través del mismo de manera secuencial y coherente, teniendo siempre presente los objetivos que se desean lograr. Con el fin de obtener una vista general de este trabajo, se listan a continuación los capı́tulos desarrollados, con una breve descripción del contenido. Inicialmente se aborda en este capı́tulo introductorio los diferentes aspectos que llevan a la identificación del problema y que motivan el desarrollo del trabajo aquı́ expuesto. De igual manera se definen los objetivos que se pretenden alcanzar y la estructura del trabajo para la obtención de los mismos. En el Capı́tulo 2o se introduce el concepto de material compuesto, se presenta el material objeto de trabajo (FRP), se clasifica de acuerdo a sus componentes (tipo de fibra y matriz) y se hace una breve descripción tanto de los materiales componentes como del material compuesto como un todo, con especial atención en sus propiedades. En el Capı́tulo 3o se introduce al lector en el tema de la rehabilitación de estructuras de hormigón armado y en las técnicas tradicionales utilizadas para dicho fin, para a continuación introducir el refuerzo de estructuras con materiales de FRP como método alternativo de rehabilitación a través de las aplicaciones mas utilizadas hasta la fecha: flexión, cortante y confinamiento. Con el Capı́tulo 4o se entra ya de lleno en lo que constituye el desarrollo propio dentro del tema que nos compete y que se inicia, debido a la importancia que la adherencia tiene en el refuerzo a cortante con FRP de elementos de HA, con un amplio estudio respecto de los programas experimentales y modelos propuestos para la descripción de dicho fenómeno, los cuales se contrastan con los resultados de una base de datos de ensayos de adherencia con bandas de FRP elaborada por el autor con base en los datos encontrados en la literatura (véase Anejo A). Finalmente las tensiones de adherencia dadas por uno de estos modelos (el de mejor desempeño) se contrastan con las tensiones de adherencias obtenidas de ensayos de cortante sobre vigas de HA reforzadas a cortante con bandas de FRP través de otra base de datos (Barros et al., 2011). De igual manera, en el Capı́tulo 5o se introduce al lector en los modelos de cortante para elementos de HA y en cómo las normativas abordan el tema. Seguidamente se plantea la situación cuando al HA se añade un refuerzo con FRP. Se define el modelo de resistencia de esfuerzos adoptado para este trabajo y se describen algunos de los principales modelos aparecidos hasta la fecha, con especial atención en la descripción de los mecanismos actuantes en este tipo de refuerzo. Al igual que en el capı́tulo 4.

(37) Introducción anterior, dichos modelos se contrastan con los resultados de la base de datos de ensayos a cortante sobre vigas de HA reforzadas con bandas de FRP mencionada anteriormente. Con base en el análisis realizado a lo largo de este capı́tulo y los resultados obtenidos se proponen dos nuevos modelos de cálculo para el aporte a cortante hecho por el FRP. Con el objetivo de un mejor entendimiento de los mecanismos actuantes en el aporte a la resistencia a cortante hecha por el FRP en elementos de HA y la validación de los modelos expuestos en el Capı́tulo 5o , dentro del curso de los proyectos de investigación que han llevado a la preparación del trabajo aquı́ expuesto, se ha completado un programa experimental. Este comprende el cálculo, fabricación y ensayo a cortante de dieciséis vigas de HA, quince de las cuales son reforzadas a cortante con tejido unidireccional de fibra de carbono y resina epoxi y una sin refuerzo como viga de control, cuyos resultados se presentan en el Capı́tulo 6o . En el capı́tulo 7o , basadas en los resultados obtenidos en los capı́tulos anteriores, se presentan unas recomendaciones de cálculo para el refuerzo de elementos de HA reforzados con FRP que siguen los formatos dados por el Eurocódigo 2 (2010) y la EHE (2008). Finalmente, un último capı́tulo presenta las conclusiones obtenidas para cada uno de los aspectos parciales de este trabajo, junto con algunas indicaciones de posibles lı́neas para trabajos futuros. En los anejos que siguen a la parte principal se puede encontrar: información complementaria de la base de datos de adherencia en el anejo A; el detalle de los resultados del programa de ensayos realizado en el anejo B y otros datos relevantes en las referencias citadas.. 5.

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(39) Capı́tulo 2 Polı́meros Armados con Fibra. Material compuesto es un material formado por dos o más partes, con una fase visible entre ellos, que juntos alcanzan unas prestaciones que son superiores a las propiedades de los materiales individuales. Dentro de ellos, se considera FRP a los materiales compuestos formados por un gran número de fibras en forma continua o discontinua embebidas en una resina o matriz polimérica, donde las fibras son, esencialmente, las responsables de las propiedades resistentes del material compuesto, mientras que la matriz se encarga de envolver las fibras para dar la configuración geométrica al material, además de transmitir los esfuerzos entre las mismas y protegerlas de posibles daños mecánicos y/o ambientales. De aquı́ en adelante se utilizará indistintamente las palabras material compuesto o FRP.. 2.1.. Componentes de los FRP. El conocimiento de los materiales forma la base para el análisis y cálculo de miembros estructurales. Las propiedades dependen del proceso de fabricación y de los materiales componentes. En esta sección se presenta una breve descripción de las fibras y matrices comúnmente usadas en el refuerzo de estructuras en la industria de la construcción.. 2.1.1.. Fibras. En el área del refuerzo se trabaja con distintos tipos de fibra, principalmente carbono, vidrio y aramida. Durante la última década se ha ampliado de forma importante el uso de otras fibras, como las de basalto, vegetales, fibras largas de acero, etc. En la Figura 2.1 se compara las propiedades de los tres tipos de fibra más comunes, con las del acero ordinario y tendones de acero. 7.

(40) Capı́tulo 2. Figura 2.1: Propiedades de diferentes tipos de fibra y acero convencional (Carolin, 2003). Existen una diversidad de fibras con un rango muy amplio de propiedades. Para cada aplicación unas serán más apropiadas que otras; por ejemplo, la fibra de vidrio se utiliza para la fabricación de perfiles y barras de refuerzo interno, la aramida tiene aplicación en el refuerzo de estructuras de obra de fábrica y la fibra de carbono es la más adecuada y de mayor uso para el caso de refuerzo de elementos de HA o metálicos. Puesto que este último es el tema que compete a este trabajo, la fibra de carbono será la base del estudio aquı́ desarrollado. Las fibras de carbono son fibras con un contenido de carbono entre el 80 y 95 %, con un diámetro comprendido entre 5-8 µm formadas por pequeños cristales de grafito estratificado, una de las formas alotrópicas del carbón (en la Figura 2.2 se muestra un ejemplo de un monocristal de grafito). Las fibras de carbono se obtienen por oxidación, carbonización y grafitización a altas temperaturas (≥ 2000 o C) de materiales precursores (fibras de PoliAcriloNitrilo - PAN, fibras de rayón o brea).. Figura 2.2: Disposición hexagonal de la red de átomos de carbono. 8.

(41) Polı́meros Armados con Fibra En una estructura de grafito, los átomos de carbono se disponen en forma de capas planas hexagonales, donde los átomos situados en la misma capa están unidos mediante enlaces covalentes muy fuertes, pero las capas se mantienen unidas mediante débiles fuerzas de Van der Waals. Esto significa que los cristales de grafito ya son de por si altamente anisótropos, con un alto módulo en dirección paralela al plano, alrededor de 910 GPa y bajo módulo en dirección perpendicular a este, alrededor de 30 GPa, aunque dicho módulo depende sensiblemente del grado de perfección y alineación, que puede variar según el tipo de fabricación. Las imperfecciones en la alineación resultan en oquedades alargadas y paralelas al eje de la fibra las cuales actúan como puntos de concentración de tensiones y reducción de resistencia. Las fibras más comunes están basadas en PAN, las cuales están divididas en dos tipos: Tipo I (o de alto módulo), que han sido grafitizadas para dar una mayor rigidez pero con una resistencia relativamente baja. Su módulo, se encuentra alrededor de los 390 GPa, que es aproximadamente el 40 % del valor del módulo de los cristales de grafito orientados según el eje de la fibra; lo cual quiere decir que podrı́an obtenerse módulos superiores con fibras perfeccionadas. Tipo II (o de alta resistencia), que han sido grafitizadas para dar una mayor resistencia, pero con un módulo relativamente bajo. Su resistencia, se encuentra alrededor de los 2.7 GPa, muy por debajo de su resistencia máxima teórica, lo que se debe a la pobre alineación y a la aparición de defectos en el proceso de fabricación. Las fibras de carbono poseen un excelente comportamiento desde el punto de vista de la durabilidad, ya que no absorben agua y son resistentes a muchos agentes quı́micos. Además, presentan un buen comportamiento frente a cargas de fatiga, no se corroen y no presentan incrementos de deformación bajo carga (fluencia). Por otra parte, debido a su alto contenido de carbono, estas fibras son eléctricamente conductoras y pueden producir corrosión galvánica en el acero en contacto directo.. 2.1.2.. Matrices. La fase matriz es la encargada de mantener la cohesión necesaria del material compuesto, transmitir los esfuerzos entre las fibras y dar la configuración geométrica para que este se comporte como un sólido único, además de proteger las fibras contra daños mecánicos y ambientales. En el área de la ingenierı́a civil las resinas más utilizadas son las termoestables, siendo las más comunes epoxi, poliéster y viniléster. La propiedad más caracterı́stica para este tipo de resinas consiste en la respuesta a 9.

(42) Capı́tulo 2 la temperatura ya que a diferencia de las termoplásticas no se funden al aplicarles calor, sin embargo, pierden su rigidez a partir de una determinada temperatura, llamada de transición vı́trea, lo que define un lı́mite superior de temperatura de trabajo en componentes estructurales. En este y en otros aspectos las resinas epoxi presentan por lo general un rendimiento superior a las resinas de poliéster y viniléster, por lo que son las resinas más usadas en el campo del refuerzo de estructuras construcción, aunque sean las de mayor coste. La tabla 2.1 muestra las propiedades tı́picas de las matrices habitualmente usadas. Tabla 2.1: Propiedades de las matrices. Material Poliéster Viniléster Epoxi. Módulo de Resistencia a Deformación Densidad Elasticidad [GPa] Tracción [MPa] Última [ %] [kg/m3 ] 2.1 - 4.1 20 - 100 1.0 - 6.5 1000 - 1450 3.2 80 - 90 4.0 - 5.0 – 2.5 - 4.1 55 - 130 1.5 - 9.0 1100 - 1300. Ademas de lo antes mencionado, la matriz tiene una alta influencia en las propiedades mecánicas del material compuesto tales como en el módulo y resistencia transversales, propiedades de cortante y propiedades en compresión.. 2.1.3.. Material compuesto. Cuando la resina y la matriz se combinan se convierten en lo que llamamos un material compuesto de FRP. Los FRP se clasifican según el tipo de fibra usada (según sus siglas en inglés), ası́: CFRP que contiene fibras de carbono, GFRP que contienen fibra de vidrio y AFRP que contiene fibra de aramida. Las propiedades mecánicas de los materiales compuestos están altamente influenciadas por el tipo y orientación de la fibra, el tipo de matriz y por el contenido de fibra por volumen del elemento de FRP. Tı́picamente la fracción de volumen de fibra en estos compuestos está entre el 50 y 70 % en el caso de las láminas (strips) y entre el 25 y 35 % en el caso de tejidos (sheets o fabric), (fib, 2006). El uso de los materiales compuestos de FRP en el campo de la construcción se ve facilitado gracias a que es un material que puede ser moldeado en casi todas las formas conocidas para uso estructural, tales como barras, cables, perfiles, paneles, láminas y tejidos (Figura 2.3) mediante el uso de diferentes técnicas conocidas como: pultrusión, moldeo, arrollamiento de filamentos (filament winding) y por moldeo in-situ (hand lay-up). Las fibras pueden ser colocadas en una dirección y 10.

(43) Polı́meros Armados con Fibra entonces el compuesto es unidireccional o en muchas direcciones y el compuesto se convierte en bi o multidireccional. En la reparación de estructuras es más común el uso de compuestos unidireccionales de CFRP con resina epoxi, mientras que en la fabricación de armaduras, paneles o perfiles se emplea la fibra de vidrio con poliéster o viniléster.. Figura 2.3: Diferentes formas de presentación del FRP. 2.2.. Propiedades mecánicas de los FRP. Las propiedades mecánicas del material compuesto, en cualquier dirección, dependen del porcentaje de fibras en volumen orientadas en esa dirección, ası́ como de las propiedades mecánicas de las fibras, longitud, forma y composición de las mismas, de las propiedades mecánicas de la matriz y de la adherencia entre fibras y matriz. Dichas propiedades dependen sobremanera de la dirección de medida en relación con la dirección de las fibras. Las propiedades de la matriz influyen en la resistencia a cortante del material compuesto, ası́ como en las propiedades quı́micas, eléctricas y térmicas del compuesto, además de dar soporte lateral contra el pandeo de las fibras bajo solicitaciones de compresión (G. Pulido y Pons, 2007). Las propiedades fı́sicas del material compuesto pueden ser estimadas si se conocen las propiedades de los materiales constituyentes (fibra y matriz) además de su fracción volumétrica. Este análisis a nivel de fibra es conocido como micro-mecánica, cuyos modelos se han desarrollado a través de los años con diferentes niveles de sofisticación. Para cálculos de compuestos de FRP en ingenierı́a estructural, 11.

(44) Capı́tulo 2 se utilizan modelos simples de micro-mecánica basados en la regla de mezclas. Asumiendo que no hay vacı́os en el compuesto de FRP (denominado por el subı́ndice c), las relaciones entre la fracción de peso (o masa) del componente i, ωi (donde i puede tomar el valor de f para la fibra o m para la matriz), y la fracción de volumen del componente i, υi , están dadas por (Bank, 2006): υf = ω f. ρc ρf. υm = ωm. (2.1). ρc ρm. (2.2). ρc = υf ρf + υm ρm =. 1 ωf /ρf + ωm /ρm. (2.3). υf + υm = 1. (2.4). ωf + ωm = 1. (2.5). υf =. ωf (υf ρf + υm ρm ) ρf. (2.6). υf =. Vf Vc. (2.7). υm =. Vm Vc. ωf =. Wf Wc. ωm =. Wm Wc. (2.8). donde Vi , Wi y ρi son el volumen, peso y densidad del componente i. Cuatro propiedades independientes de un compuesto unidireccional ortótropo (o transversalmente isótropo) Ex , Ey , Ez y νx pueden estimarse en una primera aproximación por la regla de mezclas, si se conocen la propiedades de la fibra y la matriz, ası́: Ex = υf Ef + υm Em. (2.9). υf υm 1 = + Ey Ef Em. (2.10). 1 υf υm = + Ez Gf Gm. (2.11). νx = υf νf + υm νm. (2.12). νy Ex = νx Ey. (2.13) 12.

(45) Polı́meros Armados con Fibra donde Ex es el módulo longitudinal en dirección de la fibra, Ey es el módulo transversal en dirección perpendicular a la fibra, Ez es el módulo cortante en el plano y νx es la relación de Poisson longitudinal. Puesto que la regla de mezclas es sólo una aproximación al comportamiento micromecánico de compuestos de fibra, una predicción más detallada del comportamiento tensión-deformación podrı́a obtenerse a través de ensayos de tracción. En estos ensayos se pueden obtener directamente las propiedades del material compuesto, que serı́an función de las caracterı́sticas de la fibra y la matriz, además de los aspectos micro-estructurales tales como el diámetro de la fibra, distribución y paralelismo de las fibras y fracciones de volumen. En la Tabla 2.2, (Head (1996) citado por Teng et al. (2002)), se muestran algunas propiedades mecánicas para los materiales compuestos más comunes. Los intervalos de valores dados en esta tabla son indicativos y un producto particular puede tener valores fuera de ésta, especı́ficamente si el contenido de fibra es diferente. Cabe notar que en el caso de Tabla 2.2: Propiedades mecánicas tı́picas de compuestos de GFRP, CFRP y AFRP. Materiales compuestos unidireccionales Lámina de fibra de Vidrio-Poliéster (GFRP) Lámina CarbonoEpoxi (CFRP) Lámina AramidaEpoxi (AFRP). Contenido de fibra [ %] (en peso). Densidad. 50 - 80. 1600 - 2000. 20 - 55. 400 - 1800. 65 - 75. 1600 - 1900. 120 - 250. 1200 - 2250. 60 - 70. 1050 - 1250. 40 - 125. 1000 - 1800. [kg/m3 ]. Módulo de Elasticidad Resistencia a tracción a la tracción [GPa ] [MPa]. compuesto formado mediante laminado manual, el espesor del laminado, y por lo tanto la fracción de volumen de fibra, puede variar; razón por la cual un cálculo realizado con base en las propiedades del sistema total (fibra y matriz) con un espesor incierto no serı́a apropiado. Debido a esto, los fabricantes recomiendan usar el espesor del tejido. Es importante tener en cuenta que para un cálculo acertado, se debe utilizar las propiedades correctas del sistema aplicado (Teng et al., 2002).. 2.3.. Durabilidad. Un obstáculo técnico para el uso extensivo de compuestos de polı́meros armados con fibra es la falta de datos de durabilidad y comportamiento a largo plazo comparado con los datos disponibles para materiales tradicionales de la construcción como el 13.

(46) Capı́tulo 2 acero o el hormigón. Sin embargo, en las últimas cuatro décadas se han llevado acabo numerosos estudios en las áreas de deformaciones bajo cargas continuas (fluencia), corrosión, fatiga y fatiga ambiental, envejecimiento quı́mico y fı́sico y desgaste natural de los materiales, aunque la mayorı́a de los cuales no han sido dirigidos en aplicaciones para la industria de la construcción (Täljsten, 2002). Para el caso de los polı́meros armados con fibra de carbono, la mayorı́a de los problemas que pueden identificarse están asociados a la matriz. La resina epoxi es un polı́mero que resiste bien el deterioro: no absorbe agua significativamente, al contrario que otros tipos de polı́meros; sin embargo puede ser dañado por radiación ultravioleta, aunque con aditivos especiales también puede resistir los UV. La resina epoxi es sensible a altas temperaturas, por lo tanto si hay un riesgo de fuego la matriz deberá protegerse por algún método. Cuando la fibra de carbono pueda entrar en contacto directo con las armaduras de acero puede haber riesgo de corrosión galvánica en éstas. Mientras que la matriz permanezca intacta no habrá problemas de contacto, también es posible colocar una capa de aislamiento de fibra de vidrio sobre el acero antes de aplicar la fibra de carbono. Un estudio detallado de durabilidad está fuera del alcance de este trabajo, pero se pueden encontrar temas y estudios más profundos respecto a la durabilidad de materiales compuestos en Benmokrane y Rahman (1998); Dejke (2001); Miyano et al. (2005) y/o en Cromwell et al. (2011).. 14.

(47) Capı́tulo 3 Rehabilitación de estructuras de hormigón armado. Las principales caracterı́sticas que definen una estructura son: la capacidad de carga, la durabilidad, la funcionalidad y la estética, de las cuales las tres primeras se consideran como las más importantes para la seguridad y confort. Por esto el cálculo de una estructura de nueva creación debe proporcionar a la misma una resistencia que garantice unos márgenes de seguridad suficientes a lo largo de la vida útil prevista, incluso admitiendo cierta pérdida “aceptable” de resistencia en ese tiempo. A lo largo de la larga vida útil de la estructura, es bastante común que se requiera que cambien su estado o los requisitos sobre ella, por lo que cada dı́a son más frecuentes las situaciones en que resulta necesaria la intervención sobre estructuras ya construidas a fin de verificar, mantener, restituir y/o mejorar su capacidad resistente. Entre las causas que pueden motivar la intervención sobre una estructura ya construida, cabe señalar las siguientes: Problemas patológicos: • Errores de cálculo y/o cálculo de la estructura. • Errores de ejecución. • Baja calidad de los materiales estructurales. • Problemas de durabilidad, especialmente degradación de los materiales por agresión ambiental. • Uso y/o mantenimiento incorrecto de la construcción. Ocurrencia de acciones accidentales: • Catástrofes naturales: terremotos, huracanes, etc. de magnitud no previsible 15.

(48) Capı́tulo 3 • Accidentes: fuego, explosiones, impactos, etc. Remodelación y/o reutilización del edificio: • Modificación de la estructura o de su distribución de cargas. • Cambios de utilización del edificio, con incremento de las sobrecargas de uso. De acuerdo con el trabajo de Vieitez y Ramı́rez (1984), la causa patológica predominante en el caso español es la existencia de errores de proyecto, presentes en el 51.5 % de los casos y agentes únicos en el 31.0 %. Los fallos de ejecución están presentes en el 38.5 % de los casos, siendo causa única en el 18.7 %. Finalmente, los defectos propios de la calidad de materiales aparecen en el 16.2 % de casos, los derivados del mal uso o mantenimiento en el 13.4 %, y las causas naturales excepcionales tan sólo en el 4.0 %. Los resultados obtenidos son comparables a los correspondientes a trabajos similares de paı́ses europeos y sensiblemente coinciden con los que especı́ficamente sobre estructuras de hormigón ha publicado el Grupo Español del Hormigón, GEHO (1992). Una vez identificadas las causas que conllevan la rehabilitación o refuerzo de una estructura y dependiendo de la naturaleza y alcance del problema, las intervenciones usuales en la práctica pueden incluir una o varias de las siguientes actuaciones, tal y como son definidas por el Comité Eurointernacional del Hormigón, CEB (1983): Diagnóstico: Consiste en analizar el estado actual de la estructura, previa inspección, toma de datos y estudio de los mismos. En general incluye la evaluación de la capacidad residual ası́ como las necesidades de actuación y su urgencia. En caso de existencia de daños, debe determinar la naturaleza, alcance, y causa más probable de los mismos. Mantenimiento: Se entiende por tal un conjunto de actuaciones de reducido alcance, a menudo de ı́ndole preventiva, tendentes a corregir errores detectados y a evitar que lleguen a cuestionar la seguridad de la estructura. Reparación: Consiste en restituir los niveles originales de seguridad de la estructura, cuando éstos se han reducido considerablemente por alguna causa. Consecuentemente, implica la existencia previa de un daño de cierta entidad. Refuerzo o actualización: Se denomina ası́ a la operación de incrementar la capacidad resistente de la estructura por encima de los niveles para los que fue originalmente diseñada y ejecutada. No implica necesariamente la existencia de daño. 16.

(49) Rehabilitación de estructuras de hormigón armado Sustitución: Se trata de la demolición y posterior ejecución de un elemento o parte de la estructura. Normalmente se acomete cuando el nivel daño o las necesidades de reparación son tales que hacen difı́cil la reparación o el refuerzo. Para el caso que nos compete en este trabajo, nos centraremos en dos de los items mencionados anteriormente que son: reparación y refuerzo o actualización de estructuras de HA y a cuyas acciones se les conoce como métodos de rehabilitación.. 3.1.. Técnicas de rehabilitación tradicionales. En general, puede hablarse de cuatro grandes alternativas para la rehabilitación de elementos estructurales de HA (Del Rı́o, 2008).. 3.1.1.. Refuerzo mediante recrecido con hormigón armado. Consiste en envolver el elemento con una capa adicional de hormigón convenientemente armado. Este sistema presenta grandes ventajas como una gran compatibilidad entre el material original y el de refuerzo, ası́ como una amplia superficie de contacto entre ambos, que posibilita la necesaria transferencia de esfuerzos. Ası́ mismo, es posible aumentar considerablemente la sección de hormigón e incorporar una considerable cuantı́a de nuevas armaduras que, en caso necesario, pueden conectarse con las armaduras originales mediante anclajes. Además, presentan un buen comportamiento frente al fuego, algo que no sucede en la mayor parte de los restantes sistemas de refuerzo. El resultado final es un elemento monolı́tico, capaz de incrementar notablemente la resistencia y rigidez del elemento original. Como inconvenientes fundamentales de esta técnica de refuerzo cabe destacar la necesidad de aumentar de modo considerable las dimensiones originales de la pieza, y por tanto el peso propio de la estructura, una elevada dificultad constructiva y consecuentemente un coste elevado. En términos estructurales hay que indicar que el incremento de rigidez que este sistema conlleva, puede alterar la distribución de esfuerzos en el conjunto de la estructura.. 3.1.2.. Refuerzo mediante perfiles metálicos. Consiste en unir el elemento original de hormigón armado a uno o varios perfiles metálicos de modo que se transforme en un elemento mixto, que permite incrementar considerablemente la rigidez y resistencia del elemento original. 17.

(50) Capı́tulo 3 Constructivamente, el refuerzo mediante perfiles metálicos presenta menos dificultades que el recrecido con hormigón, lo que conlleva a costes menores. Sin embargo, el diferente comportamiento del material original y el de refuerzo puede generar problemas de compatibilidad. Asimismo, la transferencia de esfuerzos al refuerzo está necesariamente más concentrada y puede plantear problemas que reduzcan la eficacia del sistema o compliquen gravemente su ejecución. De hecho, en general la transferencia tangencial de esfuerzos por adherencia y rozamiento es insuficiente para hacer entrar en carga este tipo de refuerzos, siendo normalmente necesario disponer anclajes de tipo mecánico o conectar directamente los nuevos perfiles metálicos a los nudos o a elementos estructurales inmediatos a través de piezas especı́ficas (capiteles, collarines, etc.). En términos de resistencia al fuego, este sistema presenta un comportamiento aceptable que puede ser mejorado con protección ignı́fuga de los perfiles de acero, como si de una estructura metálica se tratase, además que al utilizarse frecuentemente anclajes mecánicos, éstos no son tan vulnerables como los adhesivos, aunque cabe destacar que para perfiles encolados con resina epoxi este sistema se vuelve extremadamente vulnerable.. 3.1.3.. Refuerzo mediante láminas de acero. Otra alternativa para el refuerzo de las estructuras de hormigón consiste en añadir láminas externas de acero, fundamentalmente en las caras de tracción, conectadas al elemento original mediante adhesivos o anclajes mecánicos. Esta técnica es ampliamente utilizada para reforzar vigas o forjados a flexión o cortante. También se utilizan para confinar hormigones comprimidos, incrementando ası́ su resistencia y ductilidad. El elevado peso especı́fico del acero hace que las láminas de dimensiones importantes sean difı́ciles de manejar y requieran el uso de apeos y elementos auxiliares de sujeción durante el curado. Además, para longitudes importantes, se necesitan empalmes en las láminas lo que complica también su uso. Otro problema importante de los refuerzos mediante armaduras adheridas es la casi nula resistencia al fuego de los adhesivos epoxi, que pierden sus caracterı́sticas resistentes a temperaturas en torno a los 80 o C, lo que conlleva en muchos casos a disponer una protección ignı́fuga. Por otro lado, la posible corrosión de las láminas de acero influye en la durabilidad del refuerzo y obliga a su protección y mantenimiento. 18.