Ingeniería

Acerca del reforzamiento estructural con fibras de carbono

Presentamos una técnica empleada en trabajos de reparación, rehabilitación o reforzamiento estructural.

Una de las técnicas más novedosas empleadas en el desarrollo de trabajos de reparación, rehabilitación y/o reforzamiento estructural es el uso de sistemas compuestos estructurados con base en fibras de carbono, de aramida o de vidrio. Materiales que con muy poco peso, pueden ser usados como medio directo de reforzamiento para incrementar los niveles de capacidad resistente de una sección estructural, ya sea aumentando la resistencia a tensión o a cortante de los miembros estructurales o incrementando los niveles de capacidad a compresión de las secciones por el efecto del confinamiento, solución muy aplicable en el caso de elementos con sección transversal circular (columnas circulares, chimeneas, silos).
En el presente documento se presenta una síntesis de algunas de las características y de los avances tecnológicos existentes en la actualidad para el caso concreto del Sistema Compuesto Estructurado a base de Fibra de Carbono (SFC), en lo que respecta al reforzamiento de elementos estructurales de concreto reforzado, entendiendo que muchos de los aspectos que aquí se abordarán, también son perfectamente aplicables al caso de las fibras de aramida y vidrio.
La técnica de reforzamiento con base en SFC se ha usado en el reforzamiento y rehabilitación de estructuras de concreto existentes alrededor del mundo desde mediado de los años ochentas; sin embargo la idea no es nueva, existen evidencias de que el principio de esta técnica previamente ya había sido considerado en Europa, Estados Unidos y Japón, como una aplicación de los sistemas convencionales de reforzamiento a base de encamisados con placas metálicas.
El uso del SFC como técnica de reforzamiento debe de ser validado por ingenieros calculistas, quienes definirán si el uso de la misma es factible o no. La validación de referencia, previo al desarrollo de los trabajos de reparación, rehabilitación y/o reforzamiento, deberá incluir el desarrollo de modelos estructurales lo suficientemente detallados, que al ser sometidos a acciones probables, permitan estimar el estado de esfuerzos y de deformaciones de los elementos estructurales a reforzar; además se requiere cuantificar el posible estado de daño (grietas, fisuras, niveles de flechamientos no deseados) de la estructura, así como las propiedades físico mecánicas de los materiales que la componen (concreto, acero, mampostería). De manera general el calculista deberá determinar la correlación entre los niveles de seguridad de la estructura antes y después de la intervención, para así determinar, si esta técnica es de posible aplicación o si definitivamente es otra técnica la recomendable. Actualmente existen normas que rigen el empleo de este tipo de técnica. Tal es el caso del Comité ACI 440, que especifica la calidad de los materiales a usar, así como los procedimientos intrínsecos al cálculo estructural y a la forma de aplicación del SFC.

Materiales y durabilidad
El SFC está compuesto por los impregnantes de superficie que, al ser aplicados sobre la superficie del elemento a reforzar, forman un puente de adherencia con la resina de saturación, que a su vez tienen la función de compatibilizar por medio de la adherencia, el comportamiento de esfuerzos y deformaciones entre el sustrato de concreto y el SFC, garantizándose que se alcancen las propiedades mecánicas requeridas en el elemento estructural.
Las fibras de carbono, constituyen el elemento que proporcionan la resistencia y la rigidez al conglomerado (SFC), de acuerdo al tipo de fibra ésta se puede clasificar en: de uso general, de alta resistencia, ultra alta resistencia, alto módulo elástico y ultra rápido módulo. Las fibras de carbono de uso general pueden tener resistencias máximas a tensión de hasta 3790 MPa, pudiendo alcanzar niveles de módulo elástico oscilantes entre 220 y 235 GPa. Los niveles de módulo elástico para las fibras de alta y ultra alta resistencia son similares a las de las fibras de uso general; sin embargo, en las fibras de carbono de alto y ultra alto módulo, pueden obtenerse niveles de módulos de entre 345 y 515, y de entre 515 y 690 GPa, respectivamente.
Referente a la resistencia máxima a la tensión, las fibras de carbono de alta y ultra rápida resistencia pueden llegar a tener entre 3790 y 4825, y entre 4825 y 6200 MPa respectivamente. Los niveles de módulo de elasticidad, que pueden desempeñar las fibras de carbono de alto y ultra alto módulo pueden llegar a superar los 3100 y 2410 GPa, respectivamente.
Como se observa, este tipo de material puede llegar a alcanzar niveles de resistencias mayores a los que son capaces de desempeñar los aceros de refuerzos ordinarios (convencionales), situación que sin duda, proporciona una gran ventaja a la hora de establecer procedimientos de reforzamiento que contribuyan a aumentar la capacidad resistente de las secciones de concreto reforzado; respecto a la rigidez se refiere que los niveles de incremento podrían ser representativos, sólo en el caso de que se emplee la fibra de alto o ultra alto módulo elástico. En la gráfica de la Fig. 1, se ilustra lo antes referido: se representa el comportamiento entre esfuerzos y deformaciones para la fibra de carbono de uso general (UG,220: con módulo elástico (E) de 220 GPa y UG,235: con E de 235 GPa) y para la de ultra alto módulo elástico (UAM,515: con E de 515 GPa y UAM,690 con E de 690 GPa), así como para el acero de refuerzo ordinario convencional (AO).
Otros componentes del SFC son: los reguladores de superficies; las resinas de saturación; los adhesivos y los revestimientos protectores. Los reguladores de superficie son epóxicos que se emplean para eliminar posibles irregularidades en la superficie de concreto al cual se adherirá el sistema (SFC). Las resinas de saturación son usadas en la impregnación de las fibras, en este caso de carbono que constituyen el refuerzo estructural del conglomerado.
Estas resinas son las encargadas de fijar las fibras al interior del conjunto según el arreglo deseado y de garantizar la trasmisión de los esfuerzos de cortante entre todas las fibras y posteriormente entre éstas y el sustrato. Por último, los adhesivos y los revestimientos protectores son los encargados de fijar el SFC al sustrato del concreto en la zona que se quiera reforzar y los encargados de proteger al conglomerado de los efectos medioambientales no deseados, respectivamente.
Está demostrado que algunas acciones medioambientales suelen reducir las propiedades mecánicas de los SFC, tal es el caso de la temperatura, los rayos ultravioletas, la humedad y el contacto con soluciones químicas (ácidas y alcalinas). Entre los factores más importantes que influyen en la magnitud de esta degradación están: el tipo de exposición medioambiental con sus respectivos tiempos de exposición, así como el tipo de resina y de fibra de carbono que se emplee en el conglomerado. Es importante que se conozcan las características del medio al que van estar expuestos los sistemas de reforzamiento, a fin de que se lleven a cabo los estudios correspondientes que permitan avalar y garantizar el buen desempeño por durabilidad del conjunto (elemento a reforzar-SFC), y que la degradación de las propiedades mecánicas del sistema (SFC), con base en las especificaciones del fabricante o del distribuidor, no se vean afectadas de manera importante.

Filosofía de diseño
El diseño de un arreglo de reforzamiento base SFC, se desarrolla considerando las especificaciones asociadas al comportamiento mecánico del conglomerado en su conjunto.Se requerirá diseñar el sistema de reforzamiento para que éste absorba los niveles de esfuerzos de tensión, manteniendo la compatibilidad de deformaciones entre el sistema de reforzamiento y el concreto del sustrato de la pieza a reforzar. Este tipo de reforzamiento no absorbe esfuerzos de compresión. En general las especificaciones de diseño del reforzamiento base SFC, parten de principios de diseño de los estados límites, mediante el cual se establecen los niveles de aceptación en los estados último y de servicio. Al respecto, se refiere que durante el proceso de diseño de un determinado nivel de reforzamiento, con base en un conglomerado concebido con SFC es necesario evaluar en el estado último, el “posible” fallo nominal del elemento a reforzar, estimando para ello los correspondientes niveles de esfuerzos y deformaciones en cada uno de los materiales involucrados (concreto del sustrato y SFC). Respecto a la evaluación de las condiciones de servicio, son perfectamente aplicables los conceptos de la resistencia de materiales relacionados con las relaciones modulares y con la sección transformada.

A pesar de que la técnica de reforzamiento con base en SFC no contribuye a tomar esfuerzos de compresión de manera directa, en elementos con sección transversal circular, sí existe una contribución indirecta al aumento de la rigidez y de la capacidad resistente a compresión por el efecto del confinamiento, siempre y cuando se garantice la colocación del reforzamiento del SFC en forma de zuncho o espiral alrededor de la sección transversal en toda la altura del elemento a reforzar; es importante que una vez que se determinen los niveles de reforzamientos a aplicar, se conciban adecuados detallados de colocación y de fijación del SFC en el sustrato del elemento de concreto, que permitan el desarrollo del nivel de desempeño estructural deseado.
En general, el confinamiento restringe la fisuración por compresión y cortante, aumentando la ductilidad del elemento estructural antes de la rotura, de ahí que algunos investigadores han estado evaluando la posibilidad de
mejorar el desempeño estructural de elementos verticales de edificios y de puentes, al ser sometidos a acciones sísmicas de posible ocurrencia.

Requerimientos
Un aspecto de especial importancia a garantizar para el adecuado comportamiento estructural de la pieza a reforzar, es la estimación de las características asociadas a la calidad del concreto del sustrato sobre el cuál se adherirá el SFC, lo cual está relacionado con la resistencia a tensión que puede desarrollar dicho sustrato lo que a su vez, es una similitud con la longitud de desarrollo, que deben tener las barras de refuerzo en una pieza de concreto reforzada sometida a esfuerzos de tensión. Es usual considerar un valor de aproximadamente 14.0 kg/cm², valor que podría ser obtenido en campo de manera directa, mediante pruebas de desprendimiento mecánico por tensión directa, adicionalmente es recomendable que esta técnica de reforzamiento no sea aplicable a piezas de concreto, en donde la resistencia a la compresión no sea mayor a los 140.0 kg/cm².

Comentarios finales
De acuerdo a lo anterior, se deduce que la técnica de reforzamiento con base en SFC constituye una excelente opción para el reforzamiento y/o rehabilitación de estructuras de concreto, siendo muy importante las ganancias asociadas a la resistencia a tensión y a cortante. También los niveles en la capacidad resistente por compresión se pueden mejorar si se conciben arreglos de SFC en los elementos a reforzar, que garanticen el confinamiento de la sección, retardándose el inicio del agrietamiento por compresión y cortante (aumento de la ductilidad, atribuible a los mayores niveles en el módulo de elasticidad y en la resistencia a tensión de la SFC). c

Referencias:
ACI Committee 440 (2004), “Guide for the design and construction of externally bonded FRP systems for strengthening concrete structures (ACI 440.3R-04)”, American Concrete Institute, Farmington Hills.
De Paula Machado, Ari (2005), “Refuerzo de estructuras de concreto armado con fibras de carbono”, DEGUSSA