Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
EFECTO DEL REFUERZO CON FIBRAS DE CARBONO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL
CONCRETO
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María de Lourdes Oliván Tiscareño , Hiram Badillo Almaraz , José L. Echavarría , Ángel Rivera ,
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Rosa Elena García y Roberto Ortiz
RESUMEN
El objetivo del presente trabajo es exponer los resultados de una campaña experimental orientada a analizar el
comportamiento mecánico de cilindros de concreto sujetos a compresión y vigas de concreto sujetas a flexión y
cortante, elementos reforzados bajo dos configuraciones de fibras de carbono de alta resistencia, con el fin de
observar y evaluar posibles ventajas del refuerzo en términos de resistencia y rigidez, además resistencia-peso y
rigidez-peso. El proyecto ha permitido contextualizar el uso de los materiales compuestos con morteros de concreto
de la región y a partir de esa composición obtener un mejoramiento en el diagrama esfuerzo-deformación.
ABSTRACT
The objective of this paper is to present the results of a experimental campaign aimed to analyze the mechanical
behavior of concrete cylinders subject to compression and concrete beams subject to bending and shear, reinforced
elements under two configurations of fibers of carbon of high-strength, In order to monitor and assess potential
benefits of the reinforcement in terms of strength and rigidity, In addition strength- to-weight and stiffness-to-weight
ratio. The project has allowed contextualize the use of composite materials with concrete mortars of the region and
from that composition obtain an improvement in the stress-strain diagram.
INTRODUCCIÓN
El estudio de los materiales ha evolucionado en las últimas décadas, diferentes campos de la ciencia han contribuido
para alcanzar un conocimiento físico-químico de ellos, considerando el planteamiento a diferentes escalas desde la
nanoscopica hasta la macroscópica, la aplicación de los materiales a nuevos usos, mediante el cambio de sus
propiedades por innovadores tratamientos y procesados, ha producido nuevos materiales de propiedades superiores.
Los avances en la tecnología de los materiales compuestos formados por polímeros reforzados con fibras: vidrio,
carbono y aramida, han permitido incrementar la utilización de ellos en diferentes industrias, como la aeronáutica, la
naval, la del automóvil de carreras. En el campo de la ingeniería civil el uso de materiales compuestos en el diseño
de estructuras se ha incrementado en los últimos años, su aplicación permite obtener ventajas superiores en el
comportamiento mecánico de elementos en comparación a los materiales tradicionales, empleando su aplicación en
diversas construcciones sometidas a las acciones de ambientes agresivos y en estructuras donde se requiere disminuir
el peso.
El uso de polímeros reforzados con fibras y materiales epóxicos para reforzar y rehabilitar elementos estructurales es
una de las principales aplicaciones de los materiales compuestos en el campo de la construcción. Existen diversas
causas por las cuales las estructuras requieren ser apoyadas con estrategias de refuerzo, este requerimiento puede ser
resuelto utilizando diferentes métodos de reforzamiento, actividad muy importante, ya sea para dar reforzamiento e
incrementar la resistencia y las condiciones de servicio, cuando la capacidad de la estructura existente va a ser
modificada, cuando los diseños son adaptados para cubrir nuevas solicitaciones, cuando existen errores en el diseño
o inadecuada mano de obra en la etapa de construcción o para reparar daños existentes. Un método de reforzamiento
consiste en la estrategia de dar confinamiento al concreto, mediante refuerzo transversal, rodeando el núcleo de una
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Profesor Investigador, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Zacatecas, Bvd. López Velarde no. 801, 98060,
Zacatecas, Zac. Teléfono (492) 92 20827; [email protected]
Profesor Investigador, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Zacatecas, Bvd. López Velarde no. 801, 98060,
Zacatecas, Zac. Teléfono (492) 92 20827; [email protected]
Tesistas de la Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Zacatecas
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sección, este práctica comporta una respuesta significativamente mejorada, diversos estudios experimentales como
Kent y Park (1971), Park et al. (1982) y Mander et al. (1988) muestran que el comportamiento del concreto es más
dúctil, las deformaciones se incrementan en función de un buen confinamiento, el cual mejora el desempeño de un
elemento. El proveer ductilidad en el concreto reforzado significa el mantenimiento de la resistencia mientras
ocurren deformaciones o deflexiones considerables.
El uso de este tipo de materiales podría tener un gran impacto, el nuevo enfoque en el diseño, considerando el
desempeño de la estructura, sugiere la necesidad de nuevos materiales y sistemas estructurales que tengan una mayor
capacidad de deformación y resistencia al daño. El concreto reforzado con materiales compuestos es una alternativa
que permite mejorar la respuesta de los elementos estructurales.
La utilización de materiales compuestos en el diseño de estructuras tiene antecedentes en países como Canadá,
EEUU, Japón, donde se han concebido obras utilizando las fibras como refuerzo. En nuestro país sin embargo, el
uso de estos nuevos materiales aún no es ampliamente aplicado, es un campo del conocimiento que aún requiere
investigación, en México no se cuenta con una norma para la utilización de ellos, las referencias son extranjeras y
contienen disposiciones teóricas que aún requieren la validación experimental, los trabajos existentes no reportan
congruencia entre los resultados teóricos y experimentales (Parrilla 2011), dado el alto costo de ellos, las estrategias
de refuerzo en cuanto a la cantidad de material aplicado requieren revisarse para economizar y darles una aplicación
estratégicamente más económica (Duvalí 2010) sin sacrificar el beneficio de sus ventajas mecánicas.
En esta óptica la contribución del estudio experimental que se pretende alcanzar, es obtener información sobre las
ventajas , desventajas que proporciona otro tipo de material que se utiliza como refuerzo, la fibra de carbono, aunada
a un material cementante fabricado con materiales de la región, contextualizando las pruebas a las condiciones del
entorno. Así como la influencia que induce el tamaño de las bandas de refuerzo, la posición, orientación y el número
de ellas.
MATERIALES Y MÉTODOS
La elaboración de los especímenes del experimento se realizaron con el material concreto, la dosificación se realizó
mediante el método de mínimo de huecos, que calcula las cantidades de cemento, grava, arena y agua, con una
relación agua cemento de 0.74. Los materiales pétreos utilizados son de los bancos de materiales de la región de
Zacatecas y Aguascalientes, cuyas características físicas son recomendadas en la fabricación de concreto, para
evaluar la calidad de pétreos se realizaron las pruebas de: secado, granulometría de la arena, granulometría de la
grava, densidad relativa aparente de la arena, absorción de la arena, pérdida por lavado, densidad relativa aparente de
la grava y absorción de la grava.
El tamaño de la muestra se indica en la tabla 1, para lo cual se calculó las cantidades de los agregados, se seleccionó
el material pétreo a utilizar para una cantidad de 45 cilindros y 30 vigas entre testigos y elementos reforzados, al
cual se le aplico el método de cuarteo. La temperatura y el agua se consideran constantes en la experimentación, la
temperatura oscilo de acuerdo a la norma y el agua utilizada en la preparación de las mezclas fue agua purificada, el
cemento utilizado fue cemento portland Monterrey CPC 30R.
En relación a los sistemas de refuerzo a base de tejidos de fibra de carbono adheridos a las superficies de concreto,
los materiales para estos sistemas de refuerzo son los adhesivos y los materiales compuestos o "compositos". Los
adhesivos aplicados en este proyecto, fue la resina de impregnación de alto módulo y alta resistencia, Sikadur®-301.
Así como la pasta adhesiva epóxica de alto módulo, alta resistencia estructural para reforzamiento externo con Sika
CarboDur o metálico, Sikadur®-30.
Se aplicó el tejido de fibra de carbono de alta resistencia para reforzamiento estructural SikaWrap®-301, tejido
unidireccional de fibra de carbono de muy alta resistencia, para el procedimiento de aplicación en seco. Con las
siguientes propiedades:
Peso: 300 g/m2 +-15 g/m2
Densidad de la fibra: ≈ 1.75 g/cm3
Espesor de la fibra: 0.166 mm (contenido total de fibra de carbono)
Resistencia a tensión: 4,900 MPa (49,900 kg/cm2)
Módulo de elasticidad a tensión: 230,000 MPa (2,344,000 kg/cm2)
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Elongación a la ruptura: 2.1% (nominal)
Tabla 1.Tamaño de la muestra
Elemento
Cilindros y vigas
Testigos
15
Cilindros
Una capa
12
Dos capas
12
Flexión cortante
Vigas
12
La metodología para la realización, preparación y ensayos de los especímenes se realizó conforme a las Normas
Mexicanas NMX-C-111-ONNCCE-2004, “Industria de la construcción-agregados para concreto hidráulicoespecificaciones y métodos de prueba”. La aplicación de las fibras de carbono se realizó en base a las disposiciones
técnicas del producto SIKA.
En las siguientes figuras se muestra el proceso de elaboración de las mezclas, en la figura 1 (a) se puede observar el
agregado de los materiales en la revolvedora, respetando los tiempos y procedimientos de las normas, para obtener
una mezcla de concreto. En la figura 1 (b) se muestra el material en estado plástico, haciendo la medición de la
prueba de temperatura y revenimiento de acuerdo a la normatividad. Una vez transcurridos los 28 días del curado del
concreto, en la figura 1 (c) se muestran los cilindros y vigas de concreto simple a reforzar.
Figura 1 (a) Elaboración del concreto (b) concreto en estado plático (c) especimenes a reforzar
Refuerzo de confinamiento
Las pruebas en los cilindros se realizaron en probetas de 15X30 cm de concreto simple, el refuerzo consistió en el
encamisado completo de los especímenes con dos configuraciones, una y dos capas de fibras de carbono SIKA con
tejido unidireccional adheridas mediante resinas epóxicas, los cuales son sometidos a fuerza axial de compresión.
La variable principal que se estudia en esta investigación consiste en el nivel de confinamiento proporcionado por el
número de capas de fibras de carbono de refuerzo, la resistencia a compresión de los cilindros de concreto simple se
considera una variable controlada, así como la longitud del traslape de la fibra de carbono 10 cm (la menor
recomendada), las cuales se consideran constantes.
Refuerzo a flexión y fuerza cortante
Las pruebas en vigas de concreto de 10 X 15 X 120 cm, con una resistencia del concreto simple reforzadas mediante
un sistema con fibras de carbono adheridas a las superficie de la estructura de concreto mediante resinas epóxicas,
refuerzo externo de tensión, dos refuerzos se colocaron, vigas con refuerzo longitudinal a la flexión en el lecho
inferior de la viga y encamisado en forma de U en los tercios extremos de las vigas a cortante a modo de estribos
externos.
En la figura 2 (a) se puede ver el procedimiento de reforzamiento con las fibras de carbono en base a las
recomendaciones del fabricante de la fibra., el primer paso es resanar las oquedades con la pasta adhesiva epóxica,
para que la superficie sea lo más uniforme posible en (b) los elementos se impregnan con la resina para realizar el
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pegado del tejido, asegurándose de ejercer presión mediante un rodillo estriado para evitar espacios huecos en el
pegado, en el caso de colocación de dos capas, se repite el impregnado con resina y la colocación de fibra y
finalmente el refuerzo se seña con una capa más de resina.
Figura 2
(a) resanado de oquedades
(b) colocación de la fibra de carbono
Un punto importante en la aplicación de las fibras es lograr la correcta adherencia entre concreto fibra, logrando un
confinamiento que permite tener una pieza monolítica.
Procedimiento de pruebas
Una vez trascurridos los días requeridos para el secado de la fibra se procedió al ensaye de los elementos mediante
una prensa Controls con velocidad constante de 2.5 ton/cm2/s y las vigas en una máquina universal, la
instrumentación para medir la deformación se realizó mediante un extensómetro con aproximación de 0.00254 cm.
los cilindros se sometieron a fuerza axial hasta la rotura del encamisado, como se puede observar en la figura 3. Las
vigas se sometieron a la prueba de flexión de cuatro puntos hasta la falla, como puede verse en la figura 4.
Figura 3 Prueba de compresión en cilindros y modo de falla
Figura 4
(a) viga reforzada y prueba e flexión
(b) modo de falla en viga reforzada y viga testigo
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RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La envoltura de los elementos cilíndricos ejerce una acción de confinamiento que hace mejorar el comportamiento
ante la acción de carga. El mecanismo se desarrolla cuando el elemento se comprime inicialmente, causando un
acortamiento y debido al efecto Poisson se dilata transversalmente, ejerciéndose fuerzas de tensión, el efecto de
confinamiento es controlar esta acción mediante las fibras, mejorando la capacidad de carga. Para la obtención de la
resistencia real del concreto sin confinar se tomaron nueve especímenes para las pruebas de los cilindros confinados,
los cuales se probaron a compresión simple y con ello se obtuvo la resistencia promedio f’c=17 MPa (170 Kg/cm2),
como se muestra en la figura 5. El concreto para la construcción de las vigas se obtuvo con una resistencia de 20
MPa (200 Kg/cm2).
300
Esfuerzo (Kg/cm2)
250
200
150
100
50
0
0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
Deformación unitaria
Figura 5 Diagrama Esfuerzo-deformación del concreto simple a fuerza de compresión
En la figura 6 se muestra el comportamiento mecánico de los cilindros de concreto simple encamisados con una
capa de fibra de carbono. Se puede observar la curva esfuerzo-deformación de la muestra analizada mediante
métodos estadísticos, donde se presenta un máximo esfuerzo de 30 MPa (300 kg/cm2) y una deformación máxima de
0.026. La fibra le proporciona un incremento en resistencia del 75% respecto a la resistencia del concreto simple y se
observa una ductilidad que representa aproximadamente 10 veces más la deformación última del concreto simple.
300
Esfuerzo (Kg/cm2)
250
200
150
100
50
0
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
Deformación unitaria
Figura 6 Diagrama Esfuerzo-deformación reforzamiento con una capa
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En la figura 7 se muestra la respuesta del comportamiento mecánico esfuerzo-deformación de los cilindros
reforzados con dos capas, el máximo esfuerzo alcanzado es de 52 MPa (520kg/cm 2) y una deformación máxima de
0.035. La resistencia se incrementa tres veces la resistencia del concreto simple, y respecto a una capa la
deformación sólo se incrementó 0.009 y alrededor de 12 veces más la deformación última del concreto simple.
500
Esfuerzo (Kg/cm2)
400
300
200
100
0
0
0.01
0.02
Deformación unitaria
0.03
Figura 7 Diagrama Esfuerzo-deformación reforzamiento con dos capa
El sistema de refuerzo mediante el encamisado de tejido de carbono colocado perimetralmente en los cilindros,
proporciona un mejoramiento cuantitativamente útil, mayor capacidad de carga y de deformación, características
importantes en el reforzamiento de estructuras, aprovechando lo práctico de su sistema constructivo, sin necesidad de
ocupar grandes espacios ni la colocación de una subestructura. Los resultados del estudio permiten observar la
contribución neta de las fibras de carbono, sin la contribución de barras de acero. La descripción mecánica podrá ser
aún incrementada en elementos reforzados internamente con acero y externamente con fibras, lo cual permitirá
obtener ventajas superiores.
En la figura 8 se muestra un diagrama fuerza- desplazamiento de los especímenes ensayados, un análisis comparativo
de las vigas de concreto sin reforzar, reforzada con varillas de acero sección sub-reforzada y de las vigas reforzada
con fibras de carbono a flexión y cortante. La viga denominada testigo, de concreto simple que permite comparar la
capacidad del tejido de carbono tanto en resistencia como desplazamiento, reportó una carga de 7 KN (0.7 ton) y un
desplazamiento de1.1 mm, presentando una falla frágil. La viga reforzada con fibras de carbono resistió una carga de
18 KN (1.8 ton) y un desplazamiento máximo de 3.4 mm, se observa que el tejido de carbono le proporciona un
incremento en la resistencia y mayor desplazamiento, las fallas observadas son por cortante, mostrando un
agrietamientos a 45°, ninguna viga presentó desprendimiento de la fibra longitudinal a flexión, la resistencia a
cortante de la fibra fue rebasada y mostró rotura vertical, la falla se acompañó de un ligero estallamiento, menos
violento que el de cilindros. La viga con refuerzo de acero alcanza una carga de 25 KN (2.5 ton) y 5.3 mm de
desplazamiento. La diferencia de resistencia entre el refuerzo de acero y el tejido de carbono es del 28% en cuanto a
fuerza y 36% menos desplazamiento.
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viga sin refuerzo
viga reforzada con
acero
viga reforzada con
fibra de carbono
Fuerza ( ton)
2.5
2.3
2.1
1.9
1.7
1.5
1.3
1.1
0.9
0.7
0.5
0.3
0.1
-0.1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Desplazamiento (mm)
Figura 8 Diagrama Fuerza-desplazamiento
En el caso de vigas, en este estudio no se observa ventaja en el refuerzo con fibras de carbono, la ausencia de
refuerzo transversal produce un comportamiento que produce una falla frágil en los elementos, otro factor importante
es la baja resistencia del concreto de las vigas, se observa que con concretos de alta resistencia la presencia de fibras
de carbono mediante laminados y tejidos mejora la respuesta fuerza-desplazamiento con respecto a elementos
reforzados mediante barras de acero Picazo (2010).
CONCLUSIONES
De acuerdo a la campaña experimental realizada con cilindros y vigas de concreto, los cuales se reforzaron
perimetralmente, quedando confinados con fibras de carbono, se tienen las siguientes conclusiones:
El peso de los cilindros reforzados se incrementó un 1% del peso inicial (1 N). Por lo tanto la relación
resistencia/peso y rigidez/peso aporta grandes ventajas, mayor resistencia y ductilidad, incremento de peso casi nulo.
El modo de rotura de las probetas confinadas se debe a la rotura de la fibra, que tiene la característica de ser
explosiva, la masa al interior presenta en algunas probetas un desmoronamiento como estrangulación del concreto y
la marcada fisuración paralela a la dirección de la carga.
El sistema de colocación cumplió el objetivo, tener una estructura monolítica; la longitud de traslape utilizada que es
la menor recomendada por SIKA la cual es de 10 cm muestra un anclaje satisfactorio, ya que no se observó
deslizamiento de las uniones, y ningún espécimen mostró falla en ellas.
La orientación elegida en la colocación de la fibra, perimetral o circunferencial fue efectiva, al aportar el incremento
de la capacidad de los elementos ensayados.
El método de confinamiento con polímeros reforzados con fibras de carbono en elementos de concreto aporta
ductilidad, resistencia, bajo peso y fácil aplicación en el caso de cilindros.
En el caso de vigas donde el objetivo era cuantificar la aportación de las fibras de carbono a la viga de concreto
simple, se cuantificó un incremento de 2.57 más de carga y 3.3 más desplazamiento; respecto al reforzamiento con
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acero y fibras de carbono, la diferencia de capacidad en cuanto a fuerza es menor que la unidad 0.28 y
desplazamiento 0.36. El refuerzo en vigas mediante fibras de carbono requiere de un concreto de mayor resistencia
que le permita a las fibras desarrollar su capacidad de trabajo. El refuerzo en vigas, sobre estructuras previamente
reforzadas con acero aporta grandes beneficios en el comportamiento mecánico de ellas.
REFERENCIAS
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Nacional, México, D.F., junio, 85 pp.
Kent D C, Park R (1971), “ Flexural members with confined concrete”. J. Struct. Div. ST7, 97: 1969–1990.
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www.sika.com.mx