Es posible, reacondicionar vigas, columnas, puentes… con materiales compuestos?

A veces, por el simple deterioro del paso del tiempo o por el daño ocasionado por los temblores (movimientos telúricos), se observan grietas y fallas en las estructuras civiles como puentes, pisos, columnas, vigas, hechos en concreto armado (reforzado con acero). Se podría demoler y construir de nuevo con altos costos o simplemente y de manera muy rápida, se puede reparar y dar una segunda vida de manera segura, con el empleo de los materiales compuestos poliméricos.

Desde mediados de los años ochenta, se tienen referencias exitosas de aplicaciones en Europa, Estados Unidos y Japón, pero en nuestro medio, esta técnica no se ha extendido como un uso general de los materiales compuestos debido al desconocimiento y poca difusión de los procedimientos/materiales que mejoran las estructuras, las rehabilitan y las hacen seguras con excelente costo beneficio.

Los materiales compuestos a base de fibras de carbono pueden ser usados como medio directo de refuerzo de la zona afectada para incrementar los niveles de resistencia de una sección estructural. En países o zonas de alta ocurrencia o probabilidad de temblores, este refuerzo además de aumentar las resistencias, mejora la absorción de vibraciones, permitiendo que las estructuras puedan soportar mejor los movimientos de la tierra.

carbono

Las fibras de carbono, constituyen el elemento que proporcionará la nueva resistencia y  rigidez al concreto armado. Estas pueden aplicarse directamente sobre la estructura a reforzar o mediante el pegado de láminas previamente elaboradas. De acuerdo con el tipo de fibra de carbono que se emplee se tendrá un amplio abanico de resistencias. Éstas pueden ser: 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 hasta 3.790 MPa, pudiendo alcanzar niveles de módulo elástico oscilantes entre 220 y 235 GPa. Estos valores y la rigidez, mejoran sustancialmente si se emplean fibras de carbono de alto y ultra alto módulo elástico.

Como se observa, este tipo de material puede llegar a alcanzar niveles de resistencia mayor a los que son capaces de desempeñar los aceros de refuerzos 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 nuevas o deterioradas.

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La aplicación de las fibras, requiere de un primer de superficie o impregnante que se aplicará de primero sobre la estructura a reforzar. Este elemento formará 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 laminado, garantizando que se alcancen las propiedades mecánicas requeridas en la estructura. Otros componentes del refuerzo son los reguladores de superficies, las resinas de saturación, los adhesivos y los revestimientos protectores.

Los reguladores de superficie son productos epóxicos cuya función es eliminar posibles irregularidades en la superficie de concreto al cual, se adherirá el laminado de carbono.

Las resinas de saturación se emplean para la impregnación de las fibras, que constituyen el refuerzo estructural. Estas resinas son las encargadas de fijar las fibras al interior del conjunto según el diseño proyectado y de garantizar la trasmisión de los esfuerzos de cortante entre todas las fibras y posteriormente, entre éstas y el sustrato.

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Por último, los adhesivos son los encargados de fijar el laminado al sustrato del concreto en la zona que se quiera reforzar y los revestimientos protectores, son los encargados de proteger el refuerzo de los efectos medioambientales no deseados que pueden con el tiempo, acortar la vida útil de todo el trabajo.

En general para este trabajo se prefiere los productos epóxicos por su alta adherencia a diferentes sustratos y por su capacidad de secar en húmedo, aspecto importante que se requiere ocasionalmente cuando se trabaja sobre estructuras enterradas, húmedas o con alto nivel freático.

De acuerdo con lo anterior, se deduce que el reforzamiento con fibras de carbono constituye una excelente opción para la rehabilitación y/o mejora de estructuras de concreto, ya que aumenta la resistencia a tensión o al cortante de las partes estructurales. Los niveles en la capacidad resistencia a la compresión también se pueden mejorar si se aplican refuerzos de carbono en los elementos a reforzar, que garanticen el confinamiento de la sección (revestir en todo su perímetro), muy aplicable en el caso de elementos con sección transversal circular/cuadrada (columnas, chimeneas, silos), retardando el inicio del agrietamiento por compresión, cortante y aumenta de la ductilidad atribuible a los mayores niveles en el módulo de elasticidad y en la resistencia a tensión de la fibra.

 La fibra de carbono como técnica de reforzamiento estructural, debe de ser validado por ingenieros calculistas, quienes definirán si el uso de la misma es factible o no. Su estudio, 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 pandeamientos no deseados) de la estructura, así como las propiedades físico mecánicas de los materiales que la componen (concreto, acero, mampostería).

Referencia: Artículo escrito por el ingeniero Eduardo Vidaud Quintana basado en:

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

 

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