Ruredil Dominicana: Refuerzo de vigas con CFRP y CFRCM

INFORME

RELATIVO AL REFORZAMIENTO CON MATRIZ POLIMÉRICA FIBRO REFORZADA CON CARBONO (CFRP) Y MATRIZ CEMENTICIA FIBRO REFORZADA CON CARBONO (CFRCM) DE LAS VIGAS DEL SEXTO NIVEL DE LA TORRE X, A FIN DE CORREGIR DEFICIENCIAS EN LA RESISTENCIA DE LOS HORMIGONES.

Introducción

La empresa fabricante del hormigón premezclado nos solicitó que evaluáramos la posibilidad de reforzar estructuralmente el entrepiso del sexto nivel de la Torre X, cuyos hormigones arrojaban deficiencia en la resistencia a los 28 días.

Nos reunimos con el propietario de la Torre X, quien nos suministró un plano con la ubicación de los testigos extraídos de las vigas y sus resistencias a los 28 días así como también nos suministró los planos estructurales de los pórticos y las losas de la Torre X.

Con la información suministrada por el propietario procedimos a determinar, para cada sección crítica de cada viga, el momento nominal (Mn(210)) de la sección para un hormigón con resistencia de 210 Kg/cm2 (f `c = 210 Kg/cm2) que era la resistencia de diseño.

Posteriormente procedimos a determinar, para cada sección crítica de cada viga, el momento nominal (Mn(reducido)) de la sección para un hormigón con la resistencia reducida.

Al finalizar este análisis teníamos una tabla con los momentos nominales positivos en los vanos y negativos en los apoyos, tanto para un hormigón con la resistencia de diseño así como para las resistencias reales por debajo de la resistencia de diseño obtenidas de los testigos extraídos de las vigas.

Los momentos nominales correspondientes al hormigón de baja resistencia no difieren mucho de los momentos nominales de la sección de diseño. En la mayoría de los casos la diferencia es de un 1%. Solamente en un caso llega a ser de 2.7%.

Aun siendo pequeña la diferencia entre los momentos nominales de la sección de diseño y los momentos nominales de la sección de hormigón de resistencia reducida, estamos recomendando un refuerzo con CFRP en los vanos y CFRCM en los apoyos.

Luego de reforzada, la sección presenta un momento nominal (Mn(reforzada)) que en promedio anda por un 20% por encima del momento nominal de la sección de diseño (Mn(210)). En el peor de los casos ese porcentaje de aumento llega a ser de 7.16% por encima del momento nominal de la sección de diseño.

No estamos recomendando refuerzo para las losas por ser éstas sistemas en dos direcciones con sobrados recursos para distribuir cualquier excedente de carga.

Como puede verse, no hemos trabajado con cargas de diseño, por lo que el alcance de nuestro trabajo no nos permite garantizar que las vigas reforzadas resistirán las cargas de diseño.

Lo que sí garantizamos es que la resistencia nominal de las secciones de las vigas estudiadas, serán, luego de reforzadas, mayores que la resistencia nominal de la sección original de diseño; y ese aumento en la resistencia nominal de la sección anda en promedio por un 20%

El Refuerzo

Básicamente se trata de reforzar los vanos de las vigas con CFRP, que es una matriz polimérica reforzada con una malla de fibra de carbono. La matriz polimérica sirve de elemento adherente entre la superficie del hormigón y la malla de fibra de carbono que luego de colocada recibe un acabado con la matriz polimérica de manera que la matriz polimérica queda reforzada en su interior por una malla de fibra de carbono y ese refuerzo compuesto queda adherido a la superficie del hormigón.

En los apoyos continuos de las vigas estamos recomendando reforzar con CFRCM, que es una matriz cementicia reforzada con una malla de fibra de carbono. Al igual que en el caso anterior, la matriz cementicia sirve de elemento adherente entre la superficie del hormigón y la malla de fibra de carbono que luego de colocada recibe un acabado con la matriz cementicia de manera que la matriz cementicia queda reforzada en su interior por una malla de fibra de carbono y ese refuerzo compuesto queda adherido a la superficie del hormigón.

La decisión de recomendar el CFRCM en lugar de mantener el CFRP tiene su razón de ser en la necesidad de que la superficie en donde se aplique el CFRP sea lo más cercana posible a un plano. En el caso del fondo de las vigas esa condición se cumple, pero en el caso del refuerzo al momento negativo en el apoyo continuo, se tendría que colocar el refuerzo en la superficie de la losa, la cual dista mucho de ser un plano. Por su parte la matriz cementicia del CFRCM puede variar en espesor entre 3mm hasta 8mm lo que le da la oportunidad de colocar en un plano la malla de fibra de carbono.

En anexo a este documento estamos presentando las fichas técnicas del CFRP Ruredil X-Wrap 310 y el CFRCM Ruredil X-Mesh C-10 M50, ambos productos de la Ruredil.

El diseño del refuerzo se realizó siguiendo las recomendaciones del ACI 318-99 y ACI 440.2R-02

Se realizó una comprobación del cortante a fin de determinar si la viga reforzada era capaz de resistir el cortante asociado al nuevo momento resistente aumentado por el refuerzo. La comprobación fue satisfactoria.

Marco Conceptual

En la foto de arriba puede verse la sección transversal estudiada, el diagrama de deformaciones unitarias mostrando el eje neutro y las fuerzas internas que actuan sobre la sección.

Se trata de establecer el equilibrio de fuerzas. La sumatoria de fuerzas deberá ser nula, por lo que la suma de fuerzas que ejercen compresión a la sección debe ser igual a la suma de fuerzas que ejercen tracción a la sección.

Esa condición se aplica para dos mecanismos de falla posibles:

Caso 1: El hormigón falla antes de que falle el CFRP. En la gráfica pueden verse las ecuaciones que permiten establecer el equilibrio de fuerzas y posteriormente el Momento Nominal de la sección

Caso 2: El CFRP falla antes de que falle el hormigón. Al igual que en el caso anterior, en la gráfica pueden verse las ecuaciones que permiten establecer el equilibrio de fuerzas y posteriormente el Momento Nominal de la sección.

El ACI 440.2R-02 establece reducciones a la deformación unitaria última de la fibra, provista por el fabricante, para tomar en cuenta la exposición al ambiente y para tener seguridades de que no ocurrirá el descascarado del hormigón. En adición a estas reducciones, establece un factor y=0.85 que reduce el aporte del CFRP.

Ing. Mario Bergés

Codia 4199

Los Resultados
A continuación se presenta el resultado del análisis de las secciones de cada una de las vigas estudiadas: