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Refuerzo de estructuras de hormigón con polímeros reforzados con fibras (FRP)

    El refuerzo estructural implica la modificación de una estructura no necesariamente dañada con el propósito de aumentar su capacidad portante en relación a su situación inicial. Sus causas son la pérdida de capacidad resistente, el incremento de solicitaciones por un cambio de uso y los errores de ejecución o de proyecto.

     

    Presentación de Eva Oller Ibars en el Máster en Ingeniería Sísmica-ETSII UPM

     

    En este post se presenta un resumen de la conferencia que la Dra. Eva Oller Ibars, profesora del Departamento de Ingeniería civil y ambiental de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), realizó en el Máster en Ingeniería Sísmica, dinámica de suelos y estructuras sobre el refuerzo de estructuras de hormigón con polímeros reforzados con fibras (FPR) y la experiencia de sus aplicaciones realizadas en la UPC BarcelonaTech.

    Los polímeros reforzados con fibras (FRP) son una combinación de dos o más constituyentes que difieren en forma o composición. Los constituyentes se combinan a nivel macroscópico y no son solubles entre ellos. Uno de ellos se denomina fase de refuerzo y el otro en el cual está embebido matriz. Además, las propiedades de los constituyentes por separado no son iguales a las propiedades del conjunto.

    El origen de los FRP puede encontrarse en la industria aeronáutica y militar y también en la industria deportiva (bicicletas, raquetas de tenis, bates de béisbol, esquí, náutica, surf, automovilismo, motociclismo).

    Con relación a las propiedades mecánicas de los FRP se señalóque las láminas conforman un conjunto de fibras unidireccionales embebidas en una matriz (usualmente 40-60% de fibras Vf). En su dirección longitudinal, la resistencia y rigidez de las fibras son muy superiores a la resina y en su dirección transversal, la resistencia y rigidez de las fibras son prácticamente nulas. Su comportamiento es s-e lineal hasta rotura.

    Entre las ventajas de los FRP se observó que la relación resistencia /peso y rigidez /peso es elevada en comparación con la de otros materiales convencionales (acero y hormigón). Además, implican un ahorro en medios auxiliares, tienen una excelente durabilidad y requieren bajo mantenimiento. También se destacan por su taylorability (fabricación “a medida”) y por necesitar una cuarta parte de la energía necesaria para fabricar acero (Sostenibilidad)

    Por otra parte, entre los inconvenientes se mencionaron la fragilidad, la dificultad de uniones, la resistencia al fuego, a actos vandálicos y daños accidentales si no está protegido, la dependencia de mano de obra cualificada y el coste, por ejemplo, el Grafito/Epoxi tiene un coste de entre 650 a 900 euros por kg. Sin embargo, habría que comparar el coste completo teniendo en cuenta el ahorro en medios auxiliares.

    Con relación a los tipos de refuerzo con FRP se indicaron los siguientes:

    • El FRP refuerzo exterior (EBR, externally bonded reinforcement)
      • laminado in situ (refuerzo a flexión, cortante, confinamiento)
      • laminado prefabricado (refuerzo a flexión, cortante)
    • El FRP como refuerzo NSM (near surface mounted reinforcement)
      • laminado FRP prefabricado
      • barra de pequeño diámetro

     

    Refuerzo mediante laminados polímeros reforzados con fibras (FRP). Fuente: Oller Ibares (2019)

     

    A su vez, en su conferencia, la Dra. Eva Ollers Ibar describió en detalle los siguientes tipos de FRP refuerzo externo (EBR) o Near Surface mounted (NSM):

    • el refuerzo a flexión,
    • el refuerzo a cortante
    • el confinamiento de pilares con laminado in situ (EBR)

     

    Refuerzo mediante laminados polímeros reforzados con fibras (FRP). Fuente: Oller Ibares (2019)

     

    Con respecto al Refuerzo a flexión de elementos armados o pretensados con laminado pasivo o activo con laminado in situ (EBR) o prefabricado (EBR, NSM) se describieron a su vez:

    1. El FRP pasivo (no pretensado). En relación a este tipo de refuerzo se describió también su comportamiento instantáneo, sus aplicaciones y la problemática del desprendimiento prematuro del FRP, la fisuración y deformabilidad. Asimismo, se analizó su comportamiento diferido (flechas diferidas y evolución adherencia con el tiempo). Además, se desarrolló un análisis mediante un modelo de análisis no lineal evolutivo en el tiempo que permite evaluar adecuadamente el comportamiento de la estructura antes y después de la aplicación del refuerzo para diseñar de forma adecuada y eficiente la solución.

    2. El FRP activo (pretensado). Con respecto a este tipo de refuerzo se destacó que no existe suficiente experimentación sobre FRP pretensado como refuerzo de estructuras de hormigón armado o pretensado. En efecto, en la bibliografía pueden identificarse sólo ocho campañas experimentales (siete sobre refuerzo FRP EBR pretensado y una sobre refuerzo FRP NSM pretensado). Entre las ventajas del FRP refuerzo externo o NSM activo se incluyen que mejora el estado en servicio reduciendo las deformaciones estructurales, retrasa la aparición de fisuras, así como reduce su ancho, disminuye las tensiones resistidas por el acero, permite un uso más eficiente del hormigón y del FRP y reduce el riesgo de desprendimiento prematuro del laminado. Asimismo, las desventajas del FRP pretensado incluyen el requerimiento de técnicas de ejecución más complejas y costosas, la necesidad de dispositivos de anclaje en los extremos o sistemas auxiliares, la falta de experiencia a largo plazo y de un marco normativo comúnmente aceptado.

    En relación al refuerzo a cortante de elementos armados o pretensados con laminado in situ (EBR) o prefabricado (NSM) se discutieron los siguientes puntos:

    1.  Las configuraciones (wrapped, U, side bonded)

    2. La problemática del desprendimiento prematuro del refuerzo en U, S

    3. La contribución FRP resistencia a cortante

    4. La modelización numérica mediante análisis no lineal evolutivo con deformación por cortante

    También se describió la campaña experimental en UPC sobre vigas de hormigón armado sección en T reforzadas a cortante EBR FRP (20 ensayos). Además, se mencionó la campaña experimental para estudiar el efecto tamaño de elementos de hormigón armado. En relación con esto, el programa experimental se refiere a vigas de canto 1m, 1.5 m y 2 m que se ensayan a cortante bajo carga puntual, se reforzarán con FRP y SMA y se ensayarán hasta rotura. Por otra parte, la Dra. Eva Ollers Ibar también se refirió a las aleaciones con memoria de forma (shape memory alloys, SMA) y a sus aplicaciones en estructuras de hormigón como:

    1. Armadura en elementos de hormigón armado

    2. Tendones de pretensado

    3. Conectores

    4. Arriostramientos

    5. Amortiguadores y aisladores

    6. SMA FRP compuesto híbrido

    En cuanto al FRP refuerzo EBR a confinamiento se mencionó que activa el estado multiaxial de tensiones, aumenta la resistencia del hormigón confinado (aumenta la capacidad resistente a axil y la resistencia a cortante) y resiste la expansión lateral. También, resulta más eficiente en columnas circulares que de planta rectangular. Asimismo, se deforma elásticamente hasta tensiones elevadas, ejerce una acción de confinamiento hasta que rompen las fibras.

    Por otra parte, la conferencia también incluyó el refuerzo con FRP frente a sismo como una medida efectiva para aumentar la ductilidad y la capacidad de deformación, evitando modos de fallo prematuros en elementos que no tienen detalles o disposiciones frente sismo. En relación con esto, el FRP jacketing se considera como una intervención local (evita fallo a cortante sin afectar la rigidez global que controla la demanda sísmica).

    Si es necesario reducir la demanda, la solución de refuerzo puede incluir medidas globales que aumenten la rigidez de la estructura tales como añadir refuerzo longitudinal con FRP (NSM o EBR), el RC jacketing de algunas de las columnas, añadir muros de corte de hormigón armado, cruces de acero o relleno a los muros de mampostería. Asimismo, es posible combinar estas medidas globales con FRP.

    Por último, se describió el tratamiento normativo del refuerzo con FRP. En la conferencia se pueden consultar más detalles sobre cada uno de los puntos mencionados.

    Referencias

    Ollar Ibares, Eva (2019). Refuerzo de estructuras de hormigón con FRP. Experiencias en UPC BarcelonaTech. [Diapositivas en Power Point]