REFORZAMIENTO INTERNO DE VIGAS CON VARILLAS DE FIBRA DE VIDRIO RESUMEN

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REFORZAMIENTO INTERNO DE VIGAS CON VARILLAS DE FIBRA DE VIDRIO

Amando Padilla Ramírez1, Antonio Flores Bustamante2, Iván Panamá3 y Ubaldo Torres 4

RESUMEN

El presente trabajo se enfoca a evaluar el efecto del reforzamiento de vigas de concreto usando varillas de PRFV de diferentes diámetros nominales. Particularmente se examina el comportamiento mecánico a flexión de vigas reforzadas con este tipo de varillas y se le compara con vigas reforzadas con varillas de acero. Las varillas de PRFV propuestas en este estudio tiene diámetros de ½”, ¾” y 7/8” y están fabricadas con resina poliéster insaturada y fibras de vidrio. Los resultados muestran que las varillas de fibra de vidrio proveen una menor rigidez a la viga en comparación con las varillas de acero, dado que el módulo elástico de las varillas de PRFV es tan solo un 10% del valor del módulo elástico del acero. Sin embargo, se pudieron obtener ciertas ventajas como la capacidad de carga y de deformación, lo que se manifiesta en los momentos resistentes observados experimentalmente, siendo estos incrementos del orden del 10%.

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ABSTRACT

This work is focused to evaluate the glass fiber bars reinforcement effect in concrete beams. Specifically flexural mechanical behavior is under study and it is compared to concrete beams reinforced with steel bars. Glass fibers bars have different nominal diameters: ½”, ¾” y 7/8” and they are building with glass fibers and unsaturated polyester resin. Results shown that glass fiber bars provide a lower rigid to the concrete beam than steel bars do. This effect is due to the lower elastic modulus of the glass fiber bars, which is about 10% of the steel elastic modulus. However, FRP reinforced beam shows a load capacity and a deflection increase, which are some advantages. In this case load increase is about 10%.

INTRODUCCIÓN

Las varillas metálicas han sido usadas para el reforzamiento de concreto desde hace muchas décadas, actualmente existe una tendencia a sustituir al menos parcialmente las varillas metálicas por varillas a base de materiales compuestos, dado que pueden solucionar algunos problemas como son la corrosión de las varillas metálicas principalmente en ambientes salinos y húmedos (Kos, 2004). Estas nuevas varillas están formadas por una matriz de resinas termofijas y refuerzos de fibras de vidrio, carbono o aramida. De aquí el nombre varillas de PRFV (plástico reforzado con fibras de vidrio).

Sin embargo, las varillas de PRFV muestran una baja adhesión al concreto, por lo que al igual que las varillas metálicas, es necesario modificar la geometría de las varillas de PRFV para lograr una mayor eficiencia en el reforzamiento. En particular, las varillas se les da una forma geométrica tipo torón.

1 Profesor Investigador, Departamento de Materiales, UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo 180, Col. Reynosa Tamaulipas, 02200 México, D.F. Teléfono, (55) 5318-9513; fax: (55) 5318-9516;

[email protected]

4 Estudiante de la Licenciatura de Ingeniería Civil, UAM Azcapotzalco, Av. San Pablo 180, Col. Reynosa Tamaulipas, 02200 México, D.F. Teléfono, (55) 5318-9513; fax: (55) 5318-9516.

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XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato noviembre 2010.

Estudios anteriores realizados en la UAM [Padilla et. al. 2006)], muestran que existe una buena adherencia entre varillas tipo torón de PRFV y el concreto. La adherencia se evaluó mediante ensayos de pullout en los que se varía el área de contacto entre la varilla y la matriz de concreto. La resistencia a la adhesión de las varillas de PRF en forma de torones, mostraron valores similares y en algunos casos superiores a las de las varillas de acero.

OBJETIVO

El presente trabajo se enfoca a evaluar el efecto del reforzamiento de vigas de concreto usando varillas de PRFV de diferentes diámetros nominales. Particularmente se examina el comportamiento mecánico a flexión de vigas reforzadas con este tipo de varillas y se le compara con vigas reforzadas con varillas de acero. Las varillas de PRFV propuestas en este estudio tiene diámetros de ½”, ¾” y 7/8” y están fabricadas con resina poliéster insaturada y fibras de vidrio.

DISEÑO EXPERIMENTAL

Se planteo elaborar vigas de concreto de 60 x 15 x 15 cm reforzadas con varillas de PRFV de distintos diámetros (½”, ¾” y 7/8”) y comparar su comportamiento mecánico a flexión con vigas similares reforzadas con varilla de acero de 3/8”.

Las vigas son reforzadas con 2 varillas colocadas a 2 cm del lecho inferior de la viga. La Figura 1 muestra esquemáticamente el diseño y colocación de las varillas de refuerzo

Figura 1 . Esquema del diseño de las vigas reforzadas con varillas de PRFV y Metálicas

Materiales

Resina.

La resina poliéster empleada para la fabricación de torones fue una resina poliéster ortoftálica insaturada, H834, tixotrópica y pre acelerada, cuyas características se presentan en la Tabla 1:

Tabla 1. Propiedades de la resina poliéster empleada

Viscosidad Aguja # 3 a 60 rpm(@ 25° C) 420 cp

Tiempo de gelado * 8 -10min.

Tiempo de curado * 20 - 25 min.

Temperatura de exotermia* 165 +/-5 ° C

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La fibra de vidrio empleada corresponde a un hilo continuo, de Vetrotex R099-673 la cual es una fibra empleada en procesos de pultrusión, compatible con resinas poliéster y epóxicas. Una de las características importantes es el peso del hilo por unidad de longitud, el cual se determinó experimentalmente obteniéndose un Tex de 4,526 (peso del hilo en gr/km de longitud).

Varillas de acero

Las varillas de acero comerciales, corresponden a varillas de sección transversal circular y con corrugaciones longitudinales. La resistencia nominal de las varillas de acero utilizadas fue de f´y = 4200 kg/cm2 y modulo elástico de 2x106 kg/cm2

Matriz de concreto

Para la fabricación de la matriz de concreto se empleó cemento Portland. Basados en los resultados de pruebas de granulometría a los agregados (agregado grueso y agregado fino), se diseño un concreto con un f´c de 250kg/cm2

Elaboración de Torones de FRP

Los torones, fueron elaborados usando fibra de vidrio continua (hilo roving) y resina poliéster ortoftálica. Se empleo, un proceso de humectación similar al usado en el proceso de pultrusión, seguido de un proceso de torsión manual de la fibra.

En el proceso de humectación se utilizó un dispositivo formado por una charola de plástico, una varilla metálica para garantizar que los hilos de fibra pasen dentro de la resina y sean humectados; y un par de rodillos que presionan los hilos humectados para eliminar el exceso de resina. Adicionalmente los hilos a utilizar son pesados previamente a fin de determinar la cantidad de resina que debe colocarse en la charola de plástico. De esta forma se controla la relación resina/ fibra. Este dispositivo se muestra en la fotografía de la Figura 2a.

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Fig. 1 Fotografías que muestran: (a) dispositivo para impregnación del hilo y control del contenido de resina y (b) bastidor para el tensado y curado de los torones formados

Los hilos ya humectados, son torcidos manualmente y colocados en un bastidor provisto en uno de los extremos de ménsulas fijas y en el extremo opuesto de mensuras móviles mediante los cuales se tensa los hilos y se mantienen tensos hasta que la resina cure. El bastidor se muestra en la fotografía de la Figura 5b. Bajo este método, se prepararon los torones con una longitud inicial de 120 cm. y con diferentes diámetros, variando el número de hilos. Posteriormente los torones fueron cortados en ambos extremos para tener una longitud final de 60 cm. El diámetro de los torones queda definido por el número de hilos empleados. La Tabla 2 muestra la relación entre el número de hilos y el diámetro nominal de los torones.

(b) (a)

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Tabla 2. Relación del número de hilos para forma torones de diferentes diámetros nominales Diámetro medio

(pulgadas)

Número de hilos de fibra de vidrio

Peso total de los hilos gramos/120 cm

½ 16 110

¾ 22 151

7/8 33 226

El peso total de los hilos es importante, como ya se mencionó, para calcular la cantidad de resina y catalizador a emplear. En la elaboración de torones, la relación resina/fibra fue de 45/55. La fotografía en la Figura 2, muestra el aspecto físico de los torones así fabricados

Fig. 2 Aspecto físico de los torones elaborados con resina poliéster y fibra de vidrio

Características mecánicas de las varillas de FRP

Las propiedades de las varillas de PRFV (torones), depende no solo del tipo de materiales empleados en su fabricación, sino también de la relación en que están estos componentes, así como del proceso y condiciones del mismo. La Tabla 2 presenta algunas propiedades determinadas en el laboratorio.

Tabla 2. Características generales de torones de PRFV y varilla de acero.

Características del concreto empleado

La resistencia diseñada del concreto para embeber a las varillas de acero y de PRFV fue de f´c=250kg/cm2. Los ensayos mecánicos a compresión simple, mostraron un valor f´c de 241 Kg/cm2 y un revenimiento de 10.

Ensayos a flexión

Las vigas se ensayaron a flexión en 4 puntos, con un claro entre apoyos de 45 cm. La velocidad de deformación empleada fue de 1.3 mm/min. La fotografía de la Figura 4 muestra dicho ensayo

Fig. 4 Ensayo a flexión en cuatro puntos

Tipo de varilla Peso

específico Módulo elástico a la tensión GPa Resistencia a la Tensión MPa Contenido de fibra de vidrio w% Torón de poliéster 1.63 27.5 - 32.0 458 - 505 55% Acero 7.30 205 411 No aplica

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RESULTADOS Comportamiento a la flexión

De la prueba de flexión en cuatro puntos, se obtuvieron las curvas carga deformación de los diversos especímenes ensayados. El gráfico de la Figura 4, muestra las curvas representativas de la resistencia a la flexión contra la deformación. Se presentan las curvas resultantes de vigas reforzadas varillas de PRFV con diámetros de ½”, ¾” y 7/8”, así como la viga testigo reforzada con varilla de acero de 3/8” de diámetro.

0 20 40 60 80 100 120 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 R e si st e n ci a a l a f le x ió n k g /c m 2 Deformación mm/mm Testigo PRFV 1/4 PRVF 1/2" PRFV 7/8

Fig. 4 Grafico resistencia a la flexión deformación del ensayo de flexión de vigas reforzadas con varillas de PRFV y con varillas metálicas (testigo)

Como puede observarse, por un lado se incrementa la capacidad de carga (resistencia a la flexión) en las vigas reforzadas con varillas de PRFV con respecto a la exhibida por la viga testigo, siendo estos incrementos del orden de 10% máximo.

Por otro lado, la rigidez (pendiente de la zona elástica) del elemento de concreto se reduce cuando se emplean las varillas de PRFV respecto a la rigidez exhibida por las vigas con refuerzo metálico, siendo esta reducción del orden del 25%. Esto se muestra esquemáticamente en el gráfico de la Figura 5, en el que se presentan los módulos elásticos promedio de las diferentes tipos de vigas ensayadas.

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XVII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural León, Guanajuato noviembre 2010. 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 Testigo PRFV 1/2 PRFV 3/4 PRFV 7/8 M ó d u lo e lá st ic o k g /c m 2

Fig. 5 Valores promedio de la pendiente determinada en la zona elástica de los ensayos de flexión de vigas reforzadas con varillas de diversos diámetros de PRFV y con varillas de acero de 3/8” (testigo)

La rigidez (módulo elástico) de los elementos de concreto reforzado, se puede correlacionar con el comportamiento mecánico observado a lo largo del ensayo de flexión.

Así por ejemplo, en el caso de las vigas reforzadas con varilla metálica, la falla se origina una vez que las fisuras de falla diagonal aparecen. No son notorias fisuras del tipo de flexión, como lo muestran las fotografías en la Figura 6.

Fig. 6 Secuencia de fotografías del ensayo de la viga reforzada con varilla de acero. Nótese que prácticamente solo aparecen fallas diagonales durante el ensayo.

En el ensayo de las vigas reforzadas con varillas de PRFV, se observa la aparición de fallas a flexión, en y muy cerca del tercio central, las cuales empiezan a crecer y posteriormente aparecen las fallas diagonales que provocan la falla total del elemento. En el caso de las vigas reforzadas con varillas de ½”, la aparición de las

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fallas a flexión se origina a cargas de 4 toneladas y las fallas a tensión diagonal entre 6 y 7 toneladas de carga. Esto se muestra en las fotografías en la Figura 7.

Fig. 7 Secuencia de la aparición de fallas a flexión y tensión diagonal en viga reforzada con varillas de 1/2” de PRFV.

En el caso de las vigas reforzadas con varillas de ¾”, las fallas a flexión también aparecen primero a cargas menores (1.5 a 2 ton) en el tercio central, aunque su crecimiento no es tan notorio como en las vigas reforzadas con varillas de ½”. Posteriormente aparecen las fallas de tensión diagonal. Véase Figura 8.

Fig. 8 Comportamiento de viga reforzada con varillas de PRFV de ¾”. Nótese la aparición de fallas a flexión a bajas cargas en el tercio central y la aparición de fallas de tensión diagonal a cargas de 4.5 a

6.3 ton.

Finalmente en las vigas reforzadas con varillas de PRFV de 7/8”, el comportamiento es similar, apareciendo las fisuras de flexión a cargas de 3.6 ton con un mínimo de crecimiento, para posteriormente aparecer las fallas de tensión diagonal a cargas del orden de 6.5 ton las cuales crecen y producen la falla del elemento de concreto. Las fotografías en la Figura 9, muestran la secuencia de la falla en este tipo de viga.

Fig. 9 Viga reforzada con varillas de PRFV de 7/8”, en las que se observa la aparición de la falla a flexión en el tercio central y tercios externos, seguidas de la aparición de la falla de tensión diagonal la

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Resulta interesante hacer notar que la capacidad de deformación a la ruptura, se incrementa en las vigas reforzadas con varillas de PRFV hasta en un 50% con respecto a la observada en la viga reforzada con varillas de acero, tal y como se muestra esquemáticamente en el grafico de la Figura 9. Esto puede estar aunado al menor módulo elástico del elemento reforzante de PRFV (Véase Tabla 2).

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 Testigo PRFV 1/2 PRFV 3/4 PRFV 7/8 F le ch a m á x im a m m

Fig. 9 Flecha máxima a la ruptura promedio de vigas reforzadas con varillas metálicas de 3/8” (Testigo) y varillas de distintos diámetros.

Por otro lado, el gráfico de la Figura 10, muestra esquemáticamente el efecto en la capacidad de ruptura de las vigas reforzadas con varillas de PRFV. En esta caso, el incremento es realmente pequeño comparado contra el valor reportado por la viga reforzada con varillas metálicas. El módulo de ruptura tiende a disminuir con el diámetro de la varilla, de tal forma que los valores de ruptura de vigas reforzadas con varilla metálica de 3/82 son similares a los de vigas reforzadas con varillas de PRFV de 7/8”.

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86 87 88 89 90 91 92 93 Testigo PRFV 1/2 PRFV 3/4 PRFV 7/8 M o d u lo d e r u p tu ra k g /c m 2

Fig. 10 Módulo de ruptura promedio de vigas reforzadas con varillas metálicas de 3/8” (Testigo) y varillas de distintos diámetros.

Relación Propiedades elásticas peso específico

Una de las diferencias más notorias entre las varillas de PRFV y metálicas, es el peso específico, el cual es aproximadamente cuatro veces menor. Esto resulta en una ventaja de las varillas de PRFV, si comparamos la relación resistencia/peso de ambos tipos de varillas. La Tabla 3 muestra las propiedades mecánicas a la tensión, el peso específico y la resistencia específica y módulo específico de las varillas de PRFV y de acero. La relación ligereza-resistencia puede ser importante cuando se trata de construcciones no estructurales (decorativas, etc.) porque son ligeras, fáciles de manipular y no se corroen.

Tabla 3. Propiedades mecánicas y peso específico de varillas de PRFV y acero

Propiedad Unidades Varilla PRFV Varilla Acero

Resistencia a la Tensión Kg/cm2 2,600 4,200

Modulo elástico Kg/cm2 175,000 2,000,000

Peso especifico a dimensional 1.7 7.85

Relación resistencia /peso específico Kg/cm2 _1,529 ₅₃₅

Relación módulo/peso especifico Kg/cm2 102,941 254,777

Sin embargo, las varillas de PRFV no puede sustituir a las de acero basándose en la proporcionalidad de superficies concreto/acero, dado que sus diferentes características mecánicas especialmente el menor modulo de elasticidad, afectan al conjunto de dimensiones y distribución del refuerzo.

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CONCLUSIONES

Se ha podido observar las varillas de fibra de vidrio proveen una menor rigidez a la viga en comparación con las varillas de acero, algo que se tenía previsto antes de la realización del proyecto, dado que el módulo elástico de las varillas de PRFV es tan solo un 15% del valor del módulo elástico del acero. Sin embargo, se pudieron obtener ciertas ventajas como in incremento en capacidad de deformación, lo que se manifiesta en un ligero aumento de los momentos resistentes observados experimentalmente.

Los datos obtenidos, aunado a ciertas ventajas que presentan este tipo de varillas sobre las construcciones reforzadas con varillas de acero, como son una alta resistencia a medio ambiente, a la corrosión y al ataque químico, ser transparentes a la radiación electromagnética y no conductoras de la electricidad, a la así como un menor peso abren las posibilidades de un empleo en la construcción, que daría ventajas contra el uso del acero en ciertas condiciones de uso.

De esta forma, las varillas de PRFV son preferibles a las de acero para estructuras marítimas expuestas al agua salada, plantas químicas y en general allí donde la corrosión puede afectar al refuerzo de acero, se emplea también en paredes o muros donde la oxidación del refuerzo de acero colorea y afecta el acabado de la vista o fachada

También las varillas de PRFV son recomendadas en construcciones donde se tienen equipos de imagen por resonancia magnética, instalaciones de radar, hospitales, etc., dado a que no son transparentes ala radiación electromagnética. Al no ser conductoras de electricidad, su campo de aplicación aumenta en la generación y transporte de energía.

Sin embargo, habrá que estudiar más afondo este tipo de refuerzos ya que también, pueden ofrecer una ventaja adicional que es su alta resistencia química y a la corrosión, resistencia que no ofrece el acero, particularmente en zonas de alta humedad y ambientes salinos como son las zonas costeras.

Finalmente, los elementos de concreto deben ser diseñados especialmente para varilla de PRFV, tomando en cuentan que las varillas de PRFV no deben ser usadas cuando la flexión en un miembro es crítica.

REFERENCIAS

Amando Padilla Ramírez, Jesús Antonio Flores Bustamante, Víctor Jorge Cortes Suárez y Guillermo Landa Avilés, (2006); “Contribución al Estudio de Adherencia entre Varillas de PRFV y Concreto” Memorias del XV Congreso nacional de Ingeniería Estructural, Puerto Vallarta, Jalisco, 2006,

ACI Committee 440 (2003). In: “Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP bars”, 440. 1R-03. Farmington Hills, MI: American Concrete Institute.

Kos Ela (2004), “Rod Trip Around de Country , States are Taking a Close Look at Composites and Civil Infrastructure and Coming Up Whit Innovative Applications” , CF Magazine , July 2004, Edit by American Composites Manufactures Association, USA, pp 13-18.