Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural … · El rango de aplicabilidad de estos materiales abarca estructuras de concreto, ... de reparación y/o reforzamiento ... deban reforzar

Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

INTERVENCIÓN DE ESTRUCTURAS CON REFUERZOS FRP

H. Cuadros Abad¹, H. Orozco Recillas²

RESUMEN

El presente artículo describe brevemente la tecnología del refuerzo externo de compuestos poliméricos reforzados con fibras (FRP) para la intervención de elementos estructurales que requieren restituir o incrementar su resistencia. Se presentan algunos casos en México que ejemplifican su rango de aplicabilidad.

ABSTRACT

This paper describes the strengthening technique with composites FRP externally bonded to structural elements in order to restore or increase their capacity. Some mexican case studies of structural strengthening are presented to show the aplicability range.

INTRODUCCION La intervención de una estructura existente se hace necesaria a fin de reducir su vulnerabilidad ante la incidencia de acciones permanentes y accidentales que se estima actuarán sobre ella. En este sentido, en función al propósito que se persigue, las intervenciones pueden ser de dos tipos:

• Intervención correctiva, que consiste en la reparación de elementos con daños que comprometen las condiciones de seguridad o funcionalidad de la estructura, a fin de restaurar exclusivamente las condiciones geométricas y resistencia originales. En algunos casos, además de lo anterior, se decide mejorar la capacidad y el comportamiento estructural de los elementos a intervenir.

• Intervención preventiva, que consiste en el reforzamiento de elementos estructurales que no presentan daños pero son vulnerables ante acciones que eventualmente incidirán sobre la estructura, como en el caso de los sismos. En algunos casos se da solución a una deficiencia del diseño original y en otros, los reglamentos demandan la actualización a los nuevos códigos de construcción.

Lamentablemente, la sociedad carece de una verdadera cultura de la prevención de desastres, y más bien está orientada a la administración de los mismos. Se destinan más recursos a la intervención de estructuras que presentan daños serios y evidentes, que a las acciones de carácter preventivo en estructuras que por su edad, deterioro de los materiales, deficiencias de proyecto, errores constructivos, entre otros, presentan alto grado de vulnerabilidad ante la incidencia de eventos principalmente de naturaleza accidental, como los sismos. La tecnología de los compuestos formados por polímeros reforzados con fibras FRP (acrónimo de Fiber Reinforced Polymer) ha alcanzado un nivel de desarrollo que hace posible su utilización racional y competitiva como un refuerzo complementario de elementos estructurales para restituir su capacidad original o para incrementarla. Las características mecánicas de los materiales compuestos son muy favorables para obtener soluciones de reforzamiento estructural que presentan marcadas ventajas ante las comúnmente utilizadas en la práctica. Su 1. Gerente Técnico, Sika Mexicana S.A. de C.V., Calzada Las Armas Núm. 18, Fraccionamiento Industrial

Las Armas, CP 54080 Tlalnepantla, Estado de México, Teléfonos (55)2626-5430; (55 )2626-5440 [email protected]

2. Ingeniero de Diagnosis, Sika Mexicana S.A. de C.V., Calzada Las Armas Núm. 18, Fraccionamiento Industrial Las Armas, CP 54080 Tlalnepantla, Estado de México, Teléfono (55)2626-5430; [email protected]

V Simposio Nacional de Ingeniería Estructural en la Vivienda Queretaro, Qro. 2007

uso racional contribuye a reducir la vulnerabilidad de una estructura ante la incidencia de cargas de magnitud determinada o de naturaleza accidental, como es el caso de los sismos. El uso de los materiales compuestos FRP externamente adheridos para el reforzamiento de estructuras existentes inició en Europa a principios de los años ochenta, mientras que en América Latina se empleó por primera vez a mediados de la década de los 90. Estos materiales se emplearon en sus inicios como refuerzo de flexión en puentes y para confinamiento de columnas de concreto. En México, los primeros refuerzos con materiales compuestos externamente adheridos se llevaron a cabo a finales de los 90. El desarrollo de esta tecnología tiene sus antecedentes en el uso de placas de acero adheridas a elementos de concreto para restituir o incrementar su resistencia estructural, procedimiento que se ha utilizado alrededor del mundo desde finales de los años sesenta. El rango de aplicabilidad de estos materiales abarca estructuras de concreto, mampostería, madera e incluso metal. Hoy en día, el número de estructuras en donde se han empleado los compuestos FRP como materiales de reparación y/o reforzamiento alrededor del mundo, es de varios miles. En ellas, diversos tipos de elementos estructurales como vigas, losas, columnas, muros, conexiones, chimeneas, bóvedas, domos, tuberías, armaduras, entre otros, han sido intervenidos.

CARACTERISTICAS DE LOS COMPUESTOS FRP Propiedades de los compuestos FRP El término FRP se refiere a un material compuesto por un polímero (resina) reforzado con fibras que le aportan su resistencia mecánica. Estos compuestos son normalmente fabricados orientando las fibras en una sola dirección, de modo que aportan resistencia unidireccional, aunque en el mercado también existen con resistencia en dos o tres direcciones. Las fibras que comúnmente se emplean para propósito estructural son: carbono (C), vidrio (G) y aramida (A), las cuales se saturan con una matriz de un polímero que puede ser de distintos tipos y, que generalmente, es de origen epóxico. Para diferenciar el tipo de fibra del compuesto se emplean los términos CFRP, GFRP y AFRP para designar a los de carbono, vidrio y aramida, respectivamente. La resistencia y rigidez del compuesto (fibra más resina) están principalmente gobernadas por la fibra en la dirección en la cual se encuentre orientada. En el mercado existen dos formas de presentación de estos sistemas de reforzamiento: en placas o láminas presaturadas (figura 2) de varias medidas y en tejidos (figura 3); las primeras son elaboradas completamente en fábrica, dónde se les da forma a través de un proceso de pultrusión y se les incorpora la resina matriz, presentan una flexibilidad relativamente limitada y admiten diámetros de curvatura del orden de un metro. Los tejidos existen en diferentes espesores dependiendo de su contenido de fibra y la resina matriz saturante se incorpora en el sitio de la obra; su ventaja principal es que se adaptan a cualquier geometría de los elementos estructurales. La figura 1 muestra en forma esquemática algunas posibles aplicaciones de reforzamiento a una estructura existente, que abarca el reforzamiento de columnas, losas, muros, trabes, entre otros.

Figura 1. Diferentes formas de reforzamiento estructural en

vigas, losas, muros y columnas.


Las placas o láminas regularmente tienen un espesor de entre 1 y 2 mm, son suministradas en varios anchos, típicamente entre 50 y 100 mm, están disponibles en longitudes muy largas (~250 m) y se proveen enrolladas formando bobinas de alrededor de un metro de diámetro. Se cortan fácilmente a la medida requerida mediante una guillotina, una esmeriladora con disco de corte o una simple segueta. Normalmente una de las caras de la placa es preparada en fábrica para proporcionarle el perfil de anclaje adecuado para la liga del adhesivo. Su resistencia es unidireccional y el contenido de fibras es del orden del 70% del volumen del compuesto. Otra alternativa es el uso de camisas prefabricadas de compuestos para el confinamiento de columnas circulares (figura 5). En general se procura que el diámetro interno de la camisa sea lo más cercano posible al diámetro exterior de la columna, aunque en algunos casos se han dejado holguras de 5 a 15 cm que son rellenadas posteriormente con mortero. Esta solución es económica cuando el número de columnas que se deban reforzar haga rentable el procedimiento, ya que el costo de fabricación de los moldes es elevado. También es posible encontrar en el mercado placas prefabricadas en forma de “L” (figura 4) como una solución alternativa para el refuerzo de vigas por cortante. Éstas se disponen en forma de medios estribos verticales con el extremo superior anclado a la losa y el inferior adherido al lecho bajo de la viga. Figura 2. Placas Figura 3. Tejidos Figura 4. Estribos Figura 5. Camisas Por sus altas propiedades mecánicas, los adhesivos más comúnmente empleados para reforzamientos estructurales son las resinas epóxicas, que generalmente son libres de solventes, de dos componentes y curan a temperatura ambiente. En la referencia 1 se pueden consultar las propiedades de algunas resinas comerciales. La selección del tipo de resina epóxica está gobernada por varios factores, entre los que destacan las condiciones ambientales, la velocidad y el tipo de aplicación; los datos técnicos específicos y las condiciones de uso deben ser consultados con el fabricante del adhesivo. Aunque ya es posible encontrar resinas para aplicaciones de hasta 150°C, la temperatura máxima de servicio es, en general, del orden de los 50°C y la temperatura de transición del vidrio está en el rango de 50°C a 65°C. En el caso de que se realice una aplicación de reforzamiento polimérico en un sitio donde la temperatura máxima esperada sea más elevada que la máxima de trabajo recomendada por el fabricante del sistema, deberán tomarse previsiones para colocar algún producto o sistema que provea aislamiento térmico en las zonas donde se coloque el refuerzo. En un material FRP, es importante diferenciar las propiedades de las fibras por sí mismas, las del polímero que forma la matriz y la del material compuesto producto de la combinación fibra-matriz. Los valores típicos de las propiedades de las fibras se dan en la tabla 1 [6] y en la figura 6.Las propiedades mecánicas como materiales compuestos están gobernadas por el porcentaje de contenido de fibra en la dirección resistente. Dado que este porcentaje siempre será menor al 100% para dar espacio a la matriz polimérica, los valores correspondientes a la resistencia y módulo elástico son inferiores a las de las fibras aisladas. En


general, para un compuesto con resistencia unidireccional, sus propiedades mecánicas serán aproximadamente los de la fibra multiplicados por el porcentaje que ocupa ésta en el compuesto.

Tabla 1. Propiedades mecánicas de las fibras Tipo de fibra FRP Resistencia a tensión

(N/mm2) Módulo de elaticidad

(KN/mm2) Elongación

% Densidad específica

Carbono: alta resistencia 4300-4900 230-240 1.9-2.1 1.8 Carbono: alto módulo 2740-5490 294-329 0.7-1.9 1.78-1.81 Carbono: ultra alto módulo 2600-4020 540-640 0.4-0.8 1.91-2.12 Aramida 3200-3600 124-130 2.4 1.44 Vidrio 2400-3500 70-85 3.5-4.7 2.6

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 1 2 3 4 5DEFORMACIÓN UNITARIA (%)

ESFU

ERZO

(kN

/mm

2)

CARCARCMMCMMCAMCAMARAMIDARAMIDVIDRIOVIDRIO

Figura 6. Curvas Esfuerzo-Deformación de fibras

Las fibras de carbono y aramida son resistentes a las distintas formas de ataque químico. En general, la fibra de vidrio es vulnerable a los álcalis (pH mayor a 11) pero no a los ácidos. La fibra de aramida absorbe más humedad que las otras dos fibras, lo que puede alterar sus propiedades en forma importante. Las fibras de vidrio y carbono no se afectan por la luz ultravioleta. Las fibras de aramida se decoloran ante la incidencia de la luz ultravioleta y se reduce su resistencia. Sin embargo, cuando están embebidas en la resina, esta degradación solamente ocurre en la zona superficial expuesta y no existe riesgo de afectación de las propiedades mecánicas de todo el compuesto. Siempre es recomendable proteger las superficies de la exposición a la radiación ultravioleta. Las fibras de aramida y de vidrio no son conductivas de la electricidad y por tanto su uso es recomendable en las cercanías de líneas de fuerza, rieles electrificados e instalaciones de comunicaciones. Las fibras de carbono si son conductoras de la electricidad y en zonas de riesgo eléctrico deben ser empleadas con cautela. El comportamiento de las fibras ante impacto es altamente dependiente de la energía de deformación elástica generada y absorbida. Las fibras que combinan alta resistencia y deformación (resistencia a la tensión mayor de 3500 N/mm2 y elongación mayor de 2%) son las más indicadas para las aplicaciones en donde la resistencia al impacto es importante. Ciertos grados de fibras de carbono, aramida y vidrio pueden cumplir con estos requerimientos. Ventajas de los refuerzos FRP El uso del refuerzo FRP externamente adherido presenta beneficios respecto al empleo de placas metálicas y al encamisado de elementos con concreto o acero: es más ligero que el acero (γ ~ 1.4-2.6 g/cm³), lo cual permite una instalación más sencilla y más rápida, eliminando la necesidad de soportes provisionales o anclajes de sujeción que siempre se requieren en el caso de las placas metálicas mientras el adhesivo adquiere resistencia; se corta con extrema facilidad a la longitud requerida en el sitio de la obra; es inerte a la corrosión y no requiere mantenimiento.


Otra ventaja de este sistema de reforzamiento es que no modifica la geometría arquitectónica ni la rigidez de los elementos estructurales debido al pequeño espesor en que es aplicado (1 a 2 mm) y no genera incremento del peso de la estructura.

CONDICIONES PREVIAS AL REFUERZO Evaluación de la estructura Antes de tomar la decisión de llevar a cabo reforzamientos externamente adheridos, se deben investigar la situación en que se encuentre la estructura. Esta evaluación permitirá identificar las condiciones reales de los elementos, la calidad y sanidad de los materiales que los componen y conocer el estado de deterioro evidente y oculto que, de no repararse, puede comprometer seriamente la efectividad del refuerzo. Para el caso de estructuras de concreto reforzado, que por mucho han sido las más intervenidas con sistemas FRP, es imperativo conocer las propiedades mecánicas del concreto y verificar que no existan patologías de origen químico, examinar el armado existente para evaluar la capacidad de carga, diagnosticar si el acero de refuerzo presenta corrosión, el grado de severidad, la velocidad de avance y la naturaleza del mismo (carbonatación del concreto o presencia de agresores químicos como cloruros, sulfatos, etc.), entre otras cosas. Para dicho propósito se realizan ensayes físico-químicos, entre los cuales destacan los siguientes: pruebas a tracción del concreto mediante ensayes de adherencia in-situ, extracción y prueba a compresión de núcleos de concreto, medición del pH del concreto, extracción de muestras para la determinación del contenido de cloruros, sulfatos y otros contaminantes, determinación de la posición y cuantía del acero de refuerzo mediante pachómetro o calas, evaluación del contenido de humedad, medición del potencial y velocidad de corrosión, extracción de corazones para estudiar la posible reacción álcali-agregado, determinación indirecta de la calidad del concreto mediante el empleo de ultrasonido o esclerómetro, entre otros ensayes. Además del estado de sanidad de los materiales, debe investigarse la naturaleza e intensidad de agrietamientos y fallas de origen estructural a fin de evaluar su importancia y tomarlos en cuenta en el proyecto de refuerzo. Es necesario dar tratamiento a las grietas presentes, a fin de reintegrar el monolitismo estructural en los elementos afectados y sellarlos para evitar el ingreso de sustancias que afecten la durabilidad de los materiales; existen productos y procedimientos apropiados para tal efecto, como son las resinas epóxicas de alta fluidez que permiten el relleno y sello de grietas de muy bajo espesor [14]. Todos los defectos identificados deben repararse con sistemas apropiados (que sean compatibles física y químicamente con el sustrato) [14] y en estricto apego a las recomendaciones de los fabricantes de dichos sistemas. Si se opta por llevar a cabo reparaciones con productos cementicios es importante esperar el término del proceso de curado antes de llevar a cabo la colocación del refuerzo. La reparación con resinas o morteros epóxicos es recomendada cuando no se dispone de tiempo suficiente para esperar el curado de un sistema cementicio. En este caso, la reparación puede realizarse el día anterior a la colocación del refuerzo. Preparación del sustrato La buena preparación de la superficie de concreto o del material base es de suprema importancia para garantizar la buena adherencia del refuerzo y con ello una larga vida y efectividad del mismo. Deben retirarse de la superficie la lechada del concreto, material suelto y polvo, aceite o grasa, residuos de corrosión, recubrimientos existentes, membranas de curado, hongos y todo aquél material que inhiba la buena adherencia del refuerzo. La calidad de la preparación de superficie se evaluará mediante la realización de ensayes de adherencia conocidos como Pull-Off Tests. En términos muy generales, un sustrato califica para ser reforzado si bajo esta prueba se presenta una adherencia no menor a 1.4 Mpa en el caso de refuerzos que demanden cortantes de interfase concentrados y no menor a 1.0 MPa en el caso de que los esfuerzos cortantes estén distribuidos en la superficie.


CRITERIOS DE DISEÑO Métodos de diseño y normatividad Aunque ya se han desarrollado algunos materiales FRP de comportamiento dúctil [11], hoy en día, los materiales FRP disponibles en el mercado no son dúctiles, tienen un comportamiento elástico-lineal desde el inicio de la carga hasta su ruptura. Así mismo, el concreto simple (no reforzado) presenta un comportamiento frágil, aunque su curva esfuerzo-deformación no es lineal. Así como fue posible combinar en forma controlada el concreto simple con acero de refuerzo para lograr elementos de comportamiento dúctil, de esta misma forma es posible combinar el concreto reforzado con refuerzos poliméricos complementarios y mantener aún un nivel de ductilidad adecuado. De esta forma, aunque el reforzamiento externo se coloque para incrementar o restituir la capacidad de carga de un elemento, el acero de refuerzo existente seguirá siendo el actor principal en el comportamiento dúctil del mismo. En general, cuando la ductilidad se requiere, no se concibe un reforzamiento de este tipo ante la ausencia o muy baja cuantía de acero de refuerzo. El diseño de refuerzos externamente adheridos se basa en los criterios de estados límite [5,6,7,8,9] y, por tanto, son aplicables los mismos postulados del diseño del concreto reforzado, esto es, se establece la compatibilidad de deformaciones considerando la deformación plana de la sección, se obliga al equilibrio de las fuerzas internas a partir de las propiedades mecánicas de los materiales y se estima, finalmente, la capacidad de carga nominal la cual se afecta por los factores de resistencia acordes al código o reglamento aplicable. La resistencia última obtenida deberá ser mayor o igual a las acciones factorizadas, según la siguiente expresión:

φ Sn > Σ ψi Li donde: φ = factor de resistencia Sn= resistencia nominal Li = carga de servicio Ψi = factor de carga El empleo de refuerzos poliméricos FRP en Latinoamérica está rezagado con respecto a Estados Unidos, Europa y Japón [1]. En aquéllos países, hoy en día, existen documentos oficiales muy completos con reglas conservadoras para el diseño con refuerzos FRP basadas en la investigación y experiencia local y mundial acumulada a la fecha. El Comité ACI 440-R del American Concrete Institute (ACI), publicó en 1996 el documento de la referencia [2] relativo al “Estado del Arte sobre Reforzamiento FRP para Estructuras de Concreto”, que consigna el desarrollo histórico del empleo del FRP como refuerzo interno y externo de estructuras de concreto. El International Conference of Building Officials (ICBO) de Estados Unidos publicó en 1997 el documento AC125 [9] que consigna los “Criterios de Aceptación para Reforzamiento de Concreto y Mampostería Reforzada y no Reforzada con el Uso de Materiales Compuestos”, en dónde además de los criterios se dan guías de diseño.

El Instituto Alemán de Tecnología de la Construcción autorizó en 1997 el empleo de un sistema suizo de placas prefabricadas de fibra de carbono para el reforzamiento de vigas a flexión y cortante en donde además se dan criterios para su diseño y aplicación [4]. El Comité 440-F del Instituto Americano del Concreto (ACI) desarrolló en 1999 un documento en el cual se establecen las recomendaciones de diseño y las técnicas de construcción para el uso de FRP en el reforzamiento externo del concreto [3].


El Comité del Concreto del Reino Unido publicó en el año 2000 el Reporte Núm. 55 que contiene “Guías de Diseño para Reforzamiento de Estructuras de Concreto con Materiales Compuestos” [6], que conjuntamente con los Boletines 14 y 35 de la Fédération Internationale du Béton [8,15] publicados en el 2001 y 2006, respectivamente, consignan los criterios de la práctica europea para el diseño de esta tecnología. En el año 2002, después de un largo período de consenso mundial, el Comité ACI 440.2R-02 editó la “Guía para el Diseño y Construcción de Sistemas FRP Externamente Adheridos para Refuerzo de Estructuras de Concreto” [8] que representa para el gremio de los ingenieros en Latinoamérica un documento de referencia que les genera certidumbre y con el cual pueden acreditar técnicamente el diseño de sus refuerzos. La Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) preparó en el año 2002 una Revisión del Estado del Arte de Compuestos Poliméricos Reforzados con Fibras para Construcción [12] que abarca todos los tipos de elementos fabricados con compuestos FRP que se emplean en construcciones civiles. Por otro lado, algunos fabricantes de sistemas FRP han elaborado Guías de Diseño [5] que consignan criterios aceptados por la comunidad internacional con base en la investigación y desarrollo de la tecnología generada a la fecha. Está en continuo desarrollo el estudio experimental y analítico de los refuerzos FRP para distintos propósitos y seguramente, la propia evolución del conocimiento obligará a la revisión periódica de los criterios de diseño que actualmente se emplean. En México no existe norma alguna relativa al uso de los compuestos FRP para propósito de refuerzo estructural, y por tanto, existe un vacío de orden técnico-legal que, sin lugar a dudas, desalienta el empleo de esta tecnología. Aún así, a pesar de la ausencia de normatividad, se ha utilizado esta técnica durante los últimos años para el refuerzo de obras de infraestructura, vivienda, y edificaciones para distintos usos, cuyo diseño se ha basado en alguno de los criterios señalados en los párrafos precedentes, principalmente, los que corresponden al ACI-440. Reforzamiento a flexión El reforzamiento por flexión en elementos de concreto, mampostería o madera mediante el empleo de compuestos puede lograrse adhiriendo los materiales con resina epóxica a la superficie del elemento que se encuentre a tensión, orientando las fibras en forma paralela a la dirección de los esfuerzos principales (Figura 7). La transmisión de los esfuerzos al reforzamiento externamente adherido se realiza a través de esfuerzos cortantes y normales generados en la interfase del sustrato y el adhesivo epóxico de liga. De aquí la importancia de asegurar que el sustrato tenga la resistencia requerida para que lleve a cabo esta transferencia de esfuerzos.

Figura 7. Refuerzo a flexión con placas FRP Es importante evitar que se presenten mecanismos de falla frágiles en el elemento reforzado. Por ende, se debe asegurar que la deformación en la zona de compresión del concreto no sea mayor al valor asociado a su falla (0.003), que se garantice la fluencia del acero de refuerzo dentro de un rango de deformación apropiado


(normalmente entre 0.0035 y 0.05), y que se eviten fallas de separación y delaminación del refuerzo por efectos de esfuerzos locales. Un elemento con reforzamiento externo a flexión puede fallar prematuramente como resultado de una separación local del refuerzo FRP que puede ser causado por dos mecanismos distintos: delaminación y separación del recubrimiento (desgarramiento). En general, dado sus altas propiedades mecánicas, es difícil que se presente la falla por agotamiento de resistencia del propio refuerzo FRP. La falla por desgarramiento ocurre en los extremos del FRP donde se tiene una discontinuidad como resultado de la interrupción del refuerzo (Figura 8). La falla se asocia a la concentración de esfuerzos cortantes y normales en el adhesivo debido a la deformación del FRP que ocurre ante la acción de las cargas actuantes. La magnitud de estos esfuerzos está influenciada por varios factores, entre los que destacan las dimensiones del FRP, la diferencia de módulos de elasticidad del compuesto y el adhesivo y la forma del diagrama de momento flexionante. Esta falla resulta en la separación total del recubrimiento del concreto generando un plano de falla a nivel de las barras del acero de refuerzo y que se extiende rápidamente hacia el extremo opuesto del elemento. Para evitar este tipo de falla, en el diseño se limita el esfuerzo cortante longitudinal entre el sustrato y el refuerzo y se extiende el refuerzo más allá del punto en que teóricamente ya no se requiere una longitud de anclaje [5, 7]. Al contrario de la falla por desgarramiento, la delaminación generalmente ocurre lejos del extremo del refuerzo. Puede generarse si el adhesivo empleado es débil o no se aplicó correctamente. Esta falla es también indicativa de una preparación inadecuada del sustrato. Con más frecuencia se asocia a la formación de agrietamiento de gran amplitud por flexión y/o cortante que ocurre como resultado de la fluencia de las barras del acero de refuerzo. Las grietas de magnitud importante generan altos esfuerzos en el compuesto a lo largo del agrietamiento que solamente se pueden disipar por delaminación, con riesgo de propagarse hacia el extremo del refuerzo y conducir finalmente a una falla por separación del refuerzo. Para evitar una falla de este tipo, la deformación unitaria del refuerzo no debe sobrepasar cierto valor límite [5] [6]. El fenómeno de separación del refuerzo es un tema que genera controversia y la descripción que antecede intenta hacer un breve repaso de los principales factores involucrados. Se sugiere consultar la referencia [6)] para una explicación más amplia de estos conceptos. Los documentos de las referencias [7] [8] y [9] establecen criterios y recomendaciones para evitar que ocurran este tipo de fallas.

Figura 8. Falla por desgarramiento Reforzamiento a cortante El refuerzo a cortante de un elemento estructural (viga, muro, columna) puede lograrse mediante el empleo de compuestos FRP adheridos con resina epóxica sobre la superficie, de tal forma que se cruce el agrietamiento potencial que puede generarse por la tensión diagonal (Figura 9).


Las investigaciones realizadas sobre el reforzamiento a cortante con refuerzos FRP han mostrado que como en el caso del concreto reforzado convencional, la falla por cortante ocurrirá debido a dos mecanismos básicos, la tensión diagonal y la compresión diagonal. Figura 9. Refuerzo a cortante La falla por compresión diagonal se evita limitando el valor del esfuerzo cortante máximo en el concreto. La falla por tensión diagonal es posible que se presente si la fuerza cortante de diseño es mayor que el cortante resistente de la sección. Ésta última se calcula con la suma de las contribuciones del concreto y del acero de refuerzo existente. El déficit de resistencia se tomará con el refuerzo FRP, aplicando los mismos principios de diseño convencional para el concreto reforzado, esto es, suponiendo un patrón de agrietamiento y multiplicando el área del refuerzo FRP que intersecta las grietas potenciales por su esfuerzo de trabajo admisible. La deformación en el refuerzo FRP debe ser limitada para evitar que se pierda la contribución de “trabazón” del agregado a la resistencia (entre el 35% y 50%) y que, además, ocurra la delaminación del refuerzo. Existen diferentes opiniones sobre la deformación límite del refuerzo a cortante. Pruebas de laboratorio realizadas en vigas y columnas envueltas con refuerzos FRP han mostrado que una deformación máxima de 0.004 es adecuada [6], [7]. Cuando el refuerzo a cortante envuelve completamente al elemento, el riesgo de delaminación de la fibra es bajo. Para los casos en donde no es posible esta solución y se recurre a un refuerzo envolviendo en forma de “U” al elemento o adhiriendo el FRP únicamente a sus caras laterales, existe alto riesgo de que se presente este fenómeno, por lo cual deben tomarse todas las precauciones en el diseño para evitar este tipo de falla [6]. Inclusive, este tipo de refuerzos parciales no se recomiendan utilizar en las zonas donde se espera la formación de articulaciones plásticas ante la acción de cargas reversibles [7]. El distanciamiento entre las franjas de refuerzo FRP debe permitir que cualquier grieta diagonal potencial sea interceptada por el refuerzo, razón por la cual deben respetarse las separaciones máximas indicadas en los reglamentos. Mediante el empleo de la analogía de la armadura es posible visualizar en forma sencilla que las vigas y columnas sujetas a fuerza cortante experimentarán fuerzas de tensión axiales, adicionales a las producidas por flexión, que requieren ser tomadas con refuerzo axial adicional [6]. La referencias [7] y [9] presentan recomendaciones para el diseño del refuerzo a cortante con compuestos FRP. Confinamiento Desde principios del siglo XX fue estudiado el fenómeno del confinamiento del concreto por Richart [6], quién obtuvo una expresión para obtener la resistencia a compresión del concreto sujeto a una presión de confinamiento triaxial activa. Postuló que la resistencia confinada es la suma de la resistencia sin confinamiento más 4.1 veces la presión lateral de confinamiento [5]. Se ha confirmado en investigaciones recientes que el modelo de Richart continúa siendo válido para estimar la resistencia confinada del concreto, aunque ya existen distintos modelos teóricos más refinados para predecir el comportamiento del concreto confinado, y que pueden ser consultados en las referencias [6] y [7].


El aumento de resistencia a compresión de columnas de concreto con deficiencia estructural en regiones sísmicas mediante el confinamiento, fue una de las primeras aplicaciones de los materiales FRP en obras de infraestructura. El confinamiento además incrementa la capacidad rotacional ( y por tanto la ductilidad) de las articulaciones plásticas y previene de la separación del refuerzo interno en las zonas de traslape.

El confinamiento también puede aportar beneficios en regiones no sísmicas, para el caso en que se requiera únicamente aumentar la capacidad de una columna debido al incremento de cargas verticales. En cualquier caso, el confinamiento se logra envolviendo perimetralmente el elemento con materiales FRP de tal forma que la dirección principal de la fibra sea en sentido perpendicular al eje del elemento. El confinamiento en columnas circulares reduce la expansión lateral del concreto inmediatamente después de que se ha alcanzado la resistencia no confinada y se invierte la dirección de la respuesta volumétrica, lográndose una contracción estable de volumen de deformación. En contraste con el caso de un encamisado con acero, en donde en el momento en que se alcanza el esfuerzo de fluencia se presenta una expansión volumétrica inestable. El confinamiento de secciones rectangulares es menos eficiente respecto a las circulares. En este caso, el esfuerzo de confinamiento es transmitido en las cuatro esquinas de la sección [7]. Por tal motivo, no se recomienda utilizar FRP con propósitos de confinamiento en elementos rectangulares cuya sección transversal tengan una relación largo/ancho mayor a 1.5, a menos que se tomen previsiones especiales. Los criterios de diseño por confinamiento con compuestos FRP se consignan en las referencias [5], [6], [7] y [8]. Reforzamiento de mampostería En los años recientes se han llevado a cabo intervenciones de estructuras de mampostería mediante el empleo de compuestos FRP (Figura 10). De igual forma que en el concreto, el procedimiento consiste en adherir con resina epóxica (o poliéster en ocasiones) bandas FRP a la superficie del material en los sitios y en la dirección de los esfuerzos principales. El diseño de la mampostería reforzada externamente con compuestos FRP se aborda con los mismos criterios fundamentales que en el caso del concreto. La mampostería puede reforzarse a flexión dentro y fuera de su plano, a fuerza cortante en su plano y a confinamiento. La referencias [7] y [9] consignan los criterios y recomendaciones que rigen su diseño. Actualmente el Comité 440 del American Concrete Institute (ACI) en conjunto con el Comité de la Mampostería de The Masonry Society (TMS), han formado un grupo para desarrollar recomendaciones para el reforzamiento de elementos de mampostería con materiales FRP [13].

Figura 10. Refuerzo de una chimenea de mampostería simple

CASOS DE ESTUDIO El proyecto de los refuerzos que se presentan en este trabajo fue realizado por ingenieros mexicanos especialistas en estructuras, con base en los criterios de diseño que se consignan en las referencias [5] y [7].


Caso 1. Edificio de oficinas en la Cd. de México (2003). El edificio está localizado al sur de la Cd. de México ( Figura 11), cuenta con 22 entrepisos, de los cuales 5 están destinados a estacionamiento de vehículos, 16 a oficinas y el sótano a instalaciones eléctricas. El sistema estructural está formado por marcos y muros de concreto reforzado; la cimentación está desplantada sobre un suelo de compresibilidad media (conocido como de transición) que cuenta con losa, contratrabes y pilas de concreto soportadas en la capa resistente del subsuelo. La construcción data del año 1974. El propietario decidió llevar a cabo la actualización sísmica del inmueble, lo que derivó en un proyecto estructural que contempló el refuerzo local de los elementos estructurales a fin de reducir su vulnerabilidad ante eventos sísmicos, dentro de las exigencias del reglamento de construcciones vigente en el año 2003. El proyecto consideró el refuerzo de columnas (Figura 12) y trabes (Figura 13), ambas tanto a flexión como a cortante . Para el refuerzo a flexión se empleó placa de fibra de carbono CFRP de 10 cm de ancho, 1.2 mm de espesor, 165 GPa de módulo elástico (como compuesto) y un esfuerzo último de falla de 2800 MPa, adherida al sustrato con resina epóxica de alta exigencia estructural. Para el refuerzo por cortante se empleó tejido CFRP con un contenido de fibra de carbono de 610 g/m², módulo elástico de la fibra de 230 GPa y resistencia última de 3500 Mpa. Caso 2. Puente “San Miguel”, Sonora, México (2002). El puente forma parte de la infraestructura carretera que administra la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) del Gobierno Federal, está localizado al norte de la República Mexicana y su construcción data de los años setentas; es de concreto reforzado, tiene una longitud del orden de 180 m y está compuesto por 9 tramos simplemente apoyados de 20 m de longitud cada uno; tiene un ancho de calzada de 7.50 m; la superestructura consta de losa de 18 cm de espesor, dos trabes portantes de 0.30 m x 1.60 m, con diafragmas transversales intermedios y pilas de mampostería de piedra. El diseño original consideró cargas vehiculares HS-20, de magnitud menor a las que actualmente circulan por las carreteras mexicanas. Dentro del programa denominado “Sistema de Puentes Mexicanos” (SIPUMEX), en el año 2001 se elaboró el proyecto de refuerzo para aumentar la capacidad del puente ante las nuevas cargas de diseño. El proyecto contempló el refuerzo de las vigas a tensión diagonal (Figura 14) y el refuerzo de las vigas y losa a flexión (Figura 15). Para todos los casos se empleó placa de fibra de carbono de 5, 8 y 10 cm de ancho y 1.2 mm de espesor, módulo elástico (como compuesto) de 165 GPa y un esfuerzo último de falla de 2800 MPa. Sobre el refuerzo se colocó un recubrimiento de poliuretano como protección contra la radiación UV. Caso 3. Puente “Boca de Campos”, Michoacán, México (2002). Este puente también forma parte de la infraestructura carretera que administra la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) del Gobierno Federal. Está localizado en la región costera del occidente de la República Mexicana, su construcción data de los años setentas, es de concreto reforzado, tiene una longitud del orden de 50 m, está compuesto por 2 tramos simplemente apoyados de 25 m de longitud cada uno y tiene un ancho de calzada de 7.50 m; la superestructura consta de losa de 28 cm de espesor promedio, dos trabes portantes de 0.45 m x 2.50 m , con diafragmas transversales en cada apoyo y pilas de concreto. Fue diseñado para cargas vehiculares HS-20, de magnitud menor a las que actualmente circulan por las carreteras mexicanas. En apego al programa del SIPUMEX, en el año 2001 se desarrolló el proyecto de refuerzo y en el año 2002 se ejecutó la obra. Las vigas se reforzaron por flexión y tensión diagonal (Figura 16); en el primer caso, se utilizó placa de fibra de carbono CFRP de 10 cm de ancho, 1.2 mm de espesor, módulo elástico como compuesto de 165 GPa y resistencia última de 2800 MPa. Caso 4. Vivienda popular en el norte del país (2002).


El conjunto habitacional se localiza en la frontera norte de la República Mexicana, está conformado por viviendas unifamiliares de concreto reforzado, de dos niveles con 50 m² de área habitable. Ochenta de esas viviendas sufrieron agrietamiento diagonal en los muros de concreto de la planta alta ante la presencia de altos esfuerzos de tensión no tomados en cuenta en el diseño estructural. El refuerzo consistió en la colocación de placas de fibra de carbono CFRP de 5 cm de ancho (Figura 17), 1.2 mm de espesor, módulo elástico como compuesto de 165 GPa y resistencia última de 2800 MPa. Las placas CRFRP quedaron ocultas bajo el acabado de los muros. Caso 5. Vivienda popular en la zona conurbada de la Cd. de México (2001). Conjunto habitacional de viviendas unifamiliares de concreto reforzado, de dos niveles y 56 m² de área habitable. Setenta de las viviendas presentaron agrietamientos por flexión en las losas de entrepiso y azotea, provocados por escasez de armado. Se reforzaron con placas de fibra de carbono CFRP de 5 cm de ancho (Figura 18), 1.2 mm de espesor, módulo elástico como compuesto de 165 GPa y resistencia última de 2800 MPa, sobre las cuales se colocó el acabado final. Caso 6. Edificio de oficinas en la Cd. de México (2002). Edificación de 5 niveles estructurada a base de marcos de concreto reforzado en ambas direcciones. Durante el desarrollo de trabajos reestructuración sísmica, consistente en la separación de los muros colindantes y la estructura, se observó muy baja resistencia del concreto de las columnas (11 MPa). El refuerzo consistió en el confinamiento del concreto (Figura 19) de las columnas mediante una capa de tejido de fibra de carbono CFRP con densidad de 610 g/m², módulo elástico de la fibra de 230 GPa y resistencia última de 3500 MPa.

CONCLUSIONES El desarrollo de la tecnología de los polímeros reforzados con fibras ha alcanzado un nivel que hace posible su utilización racional y competitiva como un refuerzo complementario de elementos estructurales para restituir o incrementar su capacidad original, con características mecánicas y de durabilidad muy favorables que permiten obtener soluciones de reforzamiento estructural con marcadas ventajas frente a las comúnmente utilizadas en la práctica. En México, la técnica de los compuestos FRP como refuerzo estructural externo está disponible en el mercado desde finales de los años 90, lo que ha permitido la intervención de más de un centenar de estructuras de concreto para resolver deficiencias asociadas a superar aspectos vulnerables y reducir el riesgo de falla. Es imperativo promover el desarrollo de una norma mexicana que permita superar el vacío técnico-legal existente y proporcione al gremio de ingenieros estructuristas la certidumbre en el uso de esta técnica para el refuerzo estructural con compuestos FRP. Hay una gran cantidad de información disponible, generada a través de más de 20 años de investigación y experiencias a nivel mundial en el uso de estos materiales, especialmente en Europa, Asia Oriental y los Estados Unidos, que bien pueden servir de base para empezar a darle cuerpo a dicha norma. Gran parte del territorio de nuestro país se encuentra bajo riesgo sísmico y no es desconocido que una gran cantidad de infraestructura y edificaciones de todo tipo se encuentran bajo un estado vulnerable que debiera ser corregido. La apertura a éstas tecnologías puede ser una respuesta viable y sencilla a ese problema. Los casos presentados en este artículo, demuestran que esta tecnología es una alternativa con probada viabilidad técnica y económica.


Referencias 1. The Market Development Alliance of the FRP Composites Industry, MDS, (1990) “Product Selection

Guide: FRP Composite Products of Bridge Applications”, First Edition, Harrison, NY 2. ACI 440R-96, (1996), “State of the Art Report on Fiber Reinforced Plastic Reinforcement for

Concrete Structures”. Reported by ACI Committee 440, American Concrete Institute, Detroit, Michigan 48219.

3. ACI 440F-99, (1999), “Guidelines for the Selection, Design and Installation of Fiber Reinforced Polymer (FRP) Systems for Externally Strengthening Concrete Structures”, Reported by ACI Commitee 440, American Concrete Institute, Detroit, Michigan 48219

4. German Institute of Construction Technology, (1998), “General Construction Authorization, Strenthening of Reinforced Concrete and Pre-stressed Concrete with FRP Bonded Carbon Fibre Plates”.

5. Sika Andina S.A. (2002), “Materiales Compuestos de Fibras Sintéticas de Carbono (CFRP) y Vidrio (GFRP) para Reforzamiento de Estructuras de Concreto, Mampostería y Madera, Guías de Diseño e Instalación Platinas Sika Carbodur, Tejidos SikaWrap Platinas en Forma de L Sika CarboShear”, Bogotá D.C. Colombia.

6. The Concrete Society, (2000) “Technical Report No. 55, Design Guidance for Strengthening Structures Using Fibre Composite Materials”, Berkshire RG45 6YS, UK.

7. ACI 440.2R-02, (2002), “Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures”. Reported by ACI Committee 440, American Concrete Institute, Detroit, Michigan 48333.

8. Fédération Internationale du Béton, (2002), “Bulletin 14, Externally Bonded FRP Reinforcement for RC Structures”, Prepared by Task Group 9.3 FRP Reinforcement for Concrete Structures, Case Postale 88, CH-1015 Lausanne, Switzerland.

9. International Conference of Building Officials (ICBO) (1997), “AC125 Acceptance Criteria for Concrete and Reinforced and Unreinforced Masonry Strengthening Using Fiber-Reinforced Composite Systems”

10. International Concrete Repair Institute, ICRI (2006) , “Guide for the Selection of Strengthening Systems for Concrete Structures”, Prepared by the International Concrete Repair Institute, 3166 River Road, Suite 132, Des Plaines, IL 60018.

11. Nabil F., Wael F., et al, (2005), “Ductile FRP Strengthening Systems”, ACI Concrete International”, enero, pp. 31-36

12. Bakis C.E., Bank L.C, et al, (2002) “Fiber Reinforced Polymer Composites for Cosntruction-State-of-the-Art Review”, ASCE Journal of Composites for Construction, mayo, pp 73-87

13. Nanni A., Galati N., Tumialan G., (2003), “Outline of Provisional Design Protocols and Field Applications of Strengthening of URM Walls” , ACI Structural Journal, septiembre

14. Federal Emergency Management Agency (FEMA), (1998), “Repair of Earthquake Damaged Concrete and Masonry Wall Buildings”, prepared by The Applied Technology Councial, Redwood City, Cal.

15. Fédération Internationale du Béton, (2006), “Bulletin 35, Retrofitting of concrete structures by externally bonded FRP, with emphasis on seismic applications”.


Figura 11. Vista N-O del edificio en la Cd. de México

Figura 12. Refuerzo a flexo-compresión y cortante en columnas

Figura 15. Puente “San Miguel” Refuerzo de losas y vigas por flexión

Figura 16. Puente “Boca de Campos” Refuerzo de vigas a flexión y cortante

Figura 13. Refuerzo por cortante en vigas Figura 14. Puente “San Miguel”, refuerzo por tensión diagonal en trabes principales


Figura 18. Vivienda popular Refuerzo de losa a flexión

Figura 17. Vivienda popular Refuerzo de muro a tensión diagonal

Figura 19. Edificio de oficinas Confinamiento de columna

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