ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE FORJADOS MIXTOS DE COMPOSITE COLABORANTE DE FIBRA DE CARBONO

MASTER UNIVERSITARIO DE INVESTIGACIÓN EN INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

TRABAJO FIN DE MASTER

ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN:

ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE FORJADOS MIXTOS DE COMPOSITE COLABORANTE DE FIBRA DE CARBONO

ALUMNO: José Mª Codosero Rodas DIRECTOR DEL TRABAJO: Antonio Manuel Reyes Rodríguez Diciembre de 2.011

TRABAJO FIN MASTER. ALUMNO: José Mª Codosero Rodas. DICIEMBRE 2.011 ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE FORJADOS MIXTOS DE COMPOSITE COLABORANTE DE FIBRA DE CARBONO.

ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE FORJADOS MIXTOS DE COMPOSITE COLABORANTE DE FIBRA DE CARBONO

José Mª Codosero Rodas Universidad de Extremadura

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Resumen/Abstract

Los forjados mixtos colaborantes actualmente están formados por una losa de hormigón armado sobre una chapa nervada de acero galvanizado con una protección ignífuga en la parte inferior, en su caso. Por otra parte, se está produciendo una creciente utilización de polímeros reforzados con fibras, concretamente con fibra de carbono de matriz polimérica, no solamente en refuerzos de estructuras de edificación y obra civil, sino en la construcción de vigas para puentes y viaductos y en pasarelas peatonales de gran luz. Se propone en este trabajo un análisis estructural del comportamiento a flexión de un forjado mixto de hormigón armado sobre laminado compuesto de fibra de carbono como elemento colaborante. Se ha comprobado analíticamente la máxima profundidad de la fibra neutra del forjado y la máxima luz a la que se pueden separar los apoyos del mismo. A falta de normativa específica para este novedoso sistema constructivo, para su análisis estructural se han seguido los criterios y bases de cálculo establecidos en el Eurocódigo 4. Igualmente se han comparado económicamente el forjado colaborante tradicional con el sistema constructivo propuesto.

1. Introducción

En la actualidad, los forjados mixtos colaborantes son elementos estructurales planos, que se construyen con hormigón y chapa nervada de acero galvanizado, en los que el acero se presenta en forma de lámina provista de una serie de nervios que contribuyen a reforzar la resistencia, junto con el hormigón, una vez endurecido. El forjado se sustenta sobre un entramado de vigas metálicas principales y secundarias. Estas vigas secundarias sostienen directamente al forjado y las principales sostienen a las secundarias.

El presente trabajo trata sobre el análisis estructural del comportamiento a esfuerzos de flexión y la valoración de la viabilidad

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técnico-económica de la aplicación de los composites de fibra de carbono de matriz polimérica en la construcción de forjados mixtos colaborantes, en sustitución de la chapa de acero.

En el campo de la construcción, mientras que la aplicación de estos

materiales para el refuerzo de estructuras es bien conocida, su uso en nuevas estructuras ha sido hasta ahora muy limitado. Edificios y sobre todo puentes en todo el mundo son reparados con fibra de carbono de forma muy eficiente frente a las técnicas tradicionales. Aunque cada vez se construyen más puentes con materiales compuestos

El estado del conocimiento relativo a la aplicación de los compuestos

laminados de fibra de carbono, abarca infinidad de trabajos y su aplicación a la industria aeronáutica, automovilística y naval. Pero en lo que se refiere a su aplicación en el sector de la edificación, se limita a trabajos de carácter genérico que ponen de manifiesto su aplicación en refuerzos de edificación y obra civil [2], en la construcción de puentes [3] y [4]. Existen también otros trabajos que estudian sus propiedades mecánicas [5] o el comportamiento mecánico a flexión y la tolerancia al daño por impactos [6].

Los composites de matriz polimérica reforzados con fibras de carbono

son cada vez más usuales en aplicaciones estructurales. Estos materiales, en comparación con el acero o el aluminio, ofrecen ratios superiores de resistencia-peso y rigidez-peso y muestran una excelente resistencia a la fatiga [5].

El objetivo fundamental de este trabajo es analizar el comportamiento

mecánico a la flexión de un nuevo sistema propuesto para construir un forjado mixto colaborante, formado por hormigón y un laminado compuesto de fibra de carbono de matriz polimérica (resina epoxi).

Primeramente se realizará una exposición del material compuesto, sus

antecedentes y sus propiedades. Se describirá el sistema constructivo propuesto, en el que se sustituye

la chapa de acero por el laminado compuesto. Se establecerán las hipótesis de partida y las bases de cálculo, describiendo el perfil considerado y sus valores estáticos. A partir de los parámetros resistentes considerados para el laminado compuesto, debidamente justificados, se analizará el forjado a flexión en Estados Límites Últimos, calculando la profundidad máxima de la fibra neutra y la distribución de tensiones de la sección de forjado considerada.

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Un vez calculado el momento último procederemos a calcular a qué

máxima luz podemos separar las vigas secundarias según la sobrecarga considerada inicialmente. Compararemos esta luz con la que establecen las tablas de resistencia para el forjado de chapa, y analizaremos económicamente los dos forjados.

Veremos que con las características resistentes que ofrece el laminado compuesto de fibra de carbono, podríamos aumentar la separación entre las vigas secundarias, con el consiguiente ahorro de vigas metálicas en el entramado sustentante del forjado.

2. Material

Se entiende por “composite” o material compuesto aquel formado a partir de dos o más materiales y que se caracteriza por poseer unas propiedades mejores que las de los materiales constituyentes por separado [1].

Los materiales componentes son identificables físicamente existiendo

una interfaz entre ellos. Aunque esta definición incluye una gran diversidad de materiales (entre los materiales de construcción el hormigón armado es el ejemplo más habitual), en este trabajo se utiliza el término material compuesto para referirse a los polímeros armados con fibras (fibre reinforced polymers, FRP). Se trata de un material formado por dos fases: fibra y matriz [3].

En general las fibras son las responsables de las propiedades

resistentes del material compuesto, mientras que la matriz envuelve a las fibras configurando geométricamente el elemento, transmite los esfuerzos entre las fibras y las protege de posibles daños mecánicos o ambientales (Aguirregomezkorta, 2008). Los composites de fibra de carbono son materiales compuestos por dos polímeros diferentes [3].

Los composites de matriz polimérica reforzados con fibras de carbono

son cada vez más usuales en aplicaciones estructurales [2]. Estos materiales, en comparación con el acero o el aluminio, ofrecen ratios superiores de resistencia-peso y rigidez-peso, aumentando la absorción de energía de impacto por unidad de peso. Además reducen el ruido y las vibraciones y muestran una excelente resistencia a la fatiga. Es un material anisótropo, fabricándose por capas en diferentes orientaciones de las fibras.

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La investigación que dio como resultado el uso de estas fibras en los materiales compuestos modernos, se atribuye a los trabajos de principios de los años sesenta de Shindo en Japón, Watt en Inglaterra y Bacon y Singer en los Estados Unidos [2].

Aunque se ha investigado una gran cantidad de materiales como

precursores de esta fibra, el poliacrilonitrilo (PAN), es el que actualmente se utilizan para su fabricación. El poliacrilonitrilo es el precursor más común utilizado actualmente para obtener fibras de carbono, y generalmente no es PAN al 100% [2].

Los materiales compuestos de fibra de carbono con matriz polimérica,

suponen una disminución del peso de más un 70 % respecto de otros materiales como el acero, ya que tienen un peso específico de unos 1600 -1800 Kg/m3, mientras que el del acero es de 7.850 Kg/m3 [2].

3. Sistema constructivo

En la actualidad los forjados mixtos colaborantes se construyen con chapa nervada de acero galvanizado sobre la que se disponen adecuadamente una serie de armaduras de acero corrugado y finalmente se vierte sobre ella una capa de hormigón a modo de losa armada (Figura 1).

Figura 1. Vista de forjado mixto colaborante

Se presenta en este trabajo una novedad: sustituir la chapa nervada de acero galvanizado por una plancha formada por un laminado de composite de fibra de carbono de matriz polimérica, con el objetivo de analizar si podemos conseguir más luces de forjado y valorar la viabilidad técnico-económica del sistema global.

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La conexión entre vigas metálicas y el forjado mixto no es objeto de este artículo, que se supone queda garantizada mediante sistemas de fijación que pueden ser objeto de estudio y análisis en otros trabajos futuros. El sistema constructivo propuesto para su estudio y análisis consiste en Forjado Mixto de Laminado Nervado de Composite Colaborante. Se trata de un elemento estructural plano compuesto de hormigón armado vertido sobre el laminado nervado, en sustitución de la chapa galvanizada. (Figura 1).

Normalmente los forjados mixtos de chapa colaborante están sustentados directamente sobre un entramado de vigas metálicas secundarias, apoyándose éstas sobre otras vigas principales.

El espaciado entre vigas secundarias depende de las características del forjado, siendo un espaciamiento típico una longitud entre 3,0 y 3,5 m. En este trabajo se propone la sustitución de la chapa de acero por una plancha de composite de fibra de carbono de matriz polimérica, que tiene mayor límite de rotura y menor peso, que la chapa de acero galvanizado, con el objetivo de analizar hasta dónde podemos aumentar la luz de apoyo del forjado sobre las vigas secundarias, espaciándolas lo máximo posible.

4. Metodología

4.1 Hipótesis de partida

El análisis estructural del Forjado Mixto de composite láminado colaborante de fibra de carbono lo referiremos a los Estados Límites Últimos, (ELU). En este caso, las comprobaciones que hay que realizar son: Flexión, Esfuerzo rasante, Esfuerzo cortante y Punzonamiento [8]. En el presente trabajo establecemos las siguientes hipótesis de partida:

• Se considera que existe una interacción completa entre el acero y el hormigón [7] y [8], no existiendo deslizamiento de la superficie de contacto acero-hormigón, quedando garantizada la resistencia del forjado al Esfuerzo rasante longitudinal en la interfaz acero-hormigón.

• Se considera que no estamos ante forjados de gran canto con

pequeñas luces, que son las secciones críticas a cortantes [7] y [8]; por tanto queda garantizada la resistencia del forjado a Esfuerzo cortante [7] ya que, dada las luces con las que vamos a trabajar, el

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estado límite último crítico de la sección considerada vendrá dado por las solicitaciones a flexión.

• Igualmente queda garantizada la resistencia a punzonamiento, al no

considerar cargas pesadas puntuales sobre el forjado [7] y [8].

Por lo tanto, teniendo en cuenta el concepto unidireccional para realizar el análisis estructural, son los Estados Límites Últimos de Flexión los limitadores desde el punto de vista resistente [7] y [8], y éste será el que vamos a estudiar. 4.2 Bases de cálculo

El análisis a flexión de una sección de un forjado colaborante la haremos como si se tratara de una sección convencional de hormigón, en la que el laminado compuesto constituye la armadura de tracción.

Para el objetivo de este artículo, consideraremos un tipo de forjado concreto de chapa colaborante, con un sólo vano biapoyado, y posteriormente sustituiremos la chapa de acero galvanizado por el composite laminado, calculando su luz máxima en función de los parámetros resistentes de este material, para el mismo estado de cargas.

El forjado mixto de chapa colaborane analizado para su comparación es el Forjado Colaborante INCO 70.4 de INCOPERFIL (Figura 2), de vano único, de luz de vano 3,0 m, de espesor de chapa 1,2 mm y de canto total de forjado 21 cm. incluida la losa de hormigón armado.

Figura 2. Perfil

Las características técnicas de este forjado, según las tablas aportadas

por el fabricante, se recogen a continuación:

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Tabla 1. Valores estáticos del perfil

Tabla 2. Características técnicas chapa de acero galvanizado

Tabla 3. Características técnicas del hormigón

Tabla 4. Peso propio del forjado (hormigón + chapa)

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Tabla 5. Sobrecargas admisibles forjado mixto de chapa galvanizada (Los valores sombreados necesitan apuntalamiento en el centro del vano)

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Los parámetros resistentes del laminado compuesto de fibra de

carbono, a falta de ensayos al efecto, los podemos obtener de los datos de empresas del sector de la automoción o aeroespacial, pero consideramos más acertado aplicar los que se recogen en publicaciones y artículos de investigación sobre elementos estructurales que ya hayan sido ensayados, realizados y ejecutados en obra civil [4]. A continuación se recogen los parámetros resistentes del laminado de composite de fibra de carbono propuesto [4]:

• Resistencia rotura a tracción 1.863 MPa • Modulo elasticidad longitudinal 122.000 MPa • Coeficiente de seguridad 1,6

Consideramos un espesor para el laminado compuesto de 1,2 mm, igual al espesor de la chapa.

El composite de fibra de carbono no presenta plasticidad, pudiendo considerar, a efectos de cálculo de resistencia, que el límite de rotura coincide con el límite elástico [2].

Consideramos acertado presumir que, dados estos parámetros de resistencia, el laminado de composite nos va a permitir mayores esfuerzos sobre el sistema estructural, aumentando por tanto, a igual sobrecarga admisible, la luz del vano. Sustituiremos la chapa por el laminado de composite y analizaremos en base a sus características técnicas la máxima luz que podemos conseguir con la misma sobrecarga admisible que hemos considerado para el forjado de chapa.

El análisis a flexión de una sección de este tipo de forjado lo hacemos

como si se tratara de una sección de hormigón armado, en donde el laminado de composite constituye la armadura traccionada inferior [7].

La capacidad resistente a flexión vendrá limitada por la capacidad

resistente a tensiones rasantes, ya que la primera sólo podrá llegar a desarrollarse completamente si la interfaz composite-hormigón posee una adherencia tal que quede garantizada la acción conjunta entre los dos materiales [7]. Este extremo ya lo hemos considerado en las hipótesis de partida, considerando una interacción completa.

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4.3 Análisis estructural en Estados Límites Últimos a flexión 4.3.1 Cálculo de la profundidad de fibra neutra del forjado

El valor de cálculo del Momento Último que soportaría la sección considerada, MpRd, lo obtendremos según los criterios establecidos en el Eurocódigo 4 para conexión completa [8], ya que, a falta de normativa específica para el análisis estructural del forjado mixto de composite colaborante nos parecen adecuadas las bases de cálculo que se establecen en él [7].

En el análisis de solicitaciones de flexión positiva, la fibra neutra de la sección considerada divide en dos partes a la misma con un comportamiento bien diferenciado, ya que, la parte inferior a ella trabaja a tracción mientras que la superior lo hace a compresión.

Partiremos de la base de que el hormigón absorbe por sí solo las solicitaciones de compresión no necesitando por tanto armadura superior de compresión.

Si llamamos Ncf, a la resultante de los esfuerzos máximos de compresión que absorbe el hormigón, en la sección de forjado considerada, Ut a la capacidad mecánica a tracción del composite, estableciendo las ecuaciones de equilibrio en la sección (Figura 3) tendremos que:

Ncf = Ut , (4.1) MpRd = Ncf . z; (4.2)

Figura 3. Distribución de tensiones con fibra neutra en el hormigón

z = (dp– 0,5.x), (4.3) Ncf = 0,85. (fck / γc) . b .x (4.4)

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Ut = Af . ffk/ γf (4.5)

siendo: Af , el área eficaz de laminado (Figura 2), espesor 1,2 mm ffk, límite rotura característico a tracción del composite γf , coeficiente de seguridad de minoración de la resistencia del composite z, el brazo de palanca entre las resultantes de compresiones y tracciones dp, distancia entre la cara superior del hormigón y el c.d.g. del laminado R-0x, profundidad del bloque comprimido fck, Resistencia característica del hormigón γc, coeficiente de minoración de la resistencia característica del hormigón R-06LLL// CNR-DT 203/2006 GFRP b, ancho de la sección considerada (Figura 3 según cotas Figura 2) x, profundidad del bloque comprimido

Como estamos analizando Estados Últimos, la profundidad máxima de la fibra neutra, xlim, vendrá dada por la expresión: Af . ffk/ γf

xlim = (4.6) 0,85. fck / γc . b

Sustituyendo en la expresión anterior los datos conocidos, es decir: Af = 725,57 mm2

ffk = 1.863 MPa γf = 1,6 fck = 25 MPa γc = 1,5 b = 420 mm obtenemos una profundidad de la fibra neutra, xlim = 142 mm

Considerando el forjado de 210 mm de canto total, dependiendo del estado tensional de la sección del forjado, según el diseño de cargas realizado, la fibra neutra, x, estará situada entre h= 0 y h= 142 mm.

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4.3.2 Cálculo del Momento Último

Despreciando el hormigón del nervio, consideraremos como profundidad del bloque comprimido el canto de la losa de hormigón, hc.

Primeramente calcularemos el brazo de palanca, z, según lo establecido en la expresión (4.3); el centro de gravedad calculado del perfil de composite está situado a una altura de 40,84 mm desde la parte inferior.

Los valores considerados son los siguientes: dp = 210 - 40,84 = 169,16 mm hc = 140 mm

Con estos valores tenemos un brazo de palanca, z =99,16 mm Por otra parte, para calcular el máximo esfuerzo de compresión, Ncf , que puede absorber el hormigón, consideramos los siguientes valores: fck = 25 MPa γc = 1,5 b = 420 mm x = hc = 140 mm

En base a estos datos, sustituyendo en (4.4) obtenemos una capacidad mecánica a compresión del hormigón de Ncf =83.300 Kp..

Sustituyendo los valores en (4.2), obtenemos el Momento Último que puede absorber la sección de forjado, MpRd = 8.260 mKp. 5. Resultados 5.1 Aprovechamiento estructural del composite

La capacidad mecánica total absorbida por el composite viene dada por la expresión (4.5), siendo, para los datos considerados en este estudio, de 844.835 N.

El momento último se ha calculado en base a las máximas compresiones que puede absorber el hormigón, dato obtenido de la expresión (4.4), siendo de 833.000 N.

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De los cálculos anteriores se desprende que el composite laminado

estaría trabajando, en Estados Límites Últimos con un aprovechamiento estructural de su capacidad mecánica del 98,6 %.

En base a estos resultados, el máximo aprovechamiento que se obtiene se produce cuando la profundidad máxima de la fibra neutra coincide exactamente con el canto de la losa de hormigón, despreciando el hormigón del nervio [7].

Si la profundidad de la fibra neutra fuera menor que el canto de la losa el aprovechamiento estructural sería menor. Si por el contrario la profundidad máxima fuera mayor que el canto del hormigón, entonces habría un trozo de laminado que estaría trabajando a compresión, con lo que estaríamos en un escenario de cálculo diferente, ya que la principal ventaja del composite de fibra de carbono es su gran resistencia a la rotura por tracción no por compresión.

De este análisis se desprende que, si reducimos el canto del forjado, la fibra neutra quedaría en el composite, de tal manera, que si sometemos al forjado al máximo esfuerzo que es capaz de absorber el composite, colapsaría el hormigón por aplastamiento ya que no tendría sección suficiente para absorber los esfuerzos de compresión.

Por lo tanto, para un máximo aprovechamiento del composite, tendríamos que elegir un hormigón de más resistencia característica para no tener que colocar armadura de compresión.

La profundidad máxima de la fibra neutra viene dada por la expresión

(4.6), no dependiendo, por tanto, de la carga del forjado ni del momento de cálculo correspondiente a dicha carga. No obstante, la profundidad de cálculo de la fibra neutra, hasta llegar a la máxima, sí dependerá de estos parámetros.

A continuación se recogen en la siguiente tabla los resultados

obtenidos para el canto mínimo del forjado en función de la resistencia característica del hormigón y de la profundidad máxima de la fibra neutra:

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Resistencia característica hormigón Profundidad máx. F.N. Canto mín.

forjado fck (Mpa) xlim (cm) ht mín (cm)

H- 25 14,20 21 H- 30 11,84 19 H- 35 10,15 17 H- 40 8,88 16 H- 45 7,89 15 H- 50 7,10 14

Tabla 6. Canto mínimo del forjado según la resistencia característica del hormigón utilizado

Según este análisis podemos establecer las sobrecargas máximas admisibles para cada forjado en función de su canto, la resistencia característica del hormigón utilizado y de la luz del vano.

Considerando un espesor de laminado de 1,2 mm y el tramo biapoyado, los resultados obtenidos se expresan a continuación en la siguiente tabla:

SOBRECARGAS ADMISIBLES ( Kp/m2) ht (cm) = 21 19 17 16 15 14 fck (Mpa) = 25 30 35 40 45 50

4,00 6.183 5.743 4.962 4.802 4.477 4.040 4,50 4.807 4.471 3.864 3.743 3.490 3.150 5,00 3.823 3.561 3.078 2.986 2.784 2.513 5,50 3.095 2.887 2.497 2.426 2.262 2.042 6,00 2.541 2.375 2.055 2.000 1.864 1.684 6,50 2.110 1.977 1.711 1.669 1.555 1.405

Luz

(m)

7,00 1.768 1.660 1.438 1.405 1.310 1.183

Tabla 7. Sobrecargas máximas admisibles

Del análisis de esta tabla se desprende que, paradójicamente, a medida que vamos aumentando la resistencia característica del hormigón, va disminuyendo la sobrecarga admisible; esto es debido a que también va disminuyendo el canto del forjado, y por tanto, el brazo de palanca, z, (visto en el apartado 4.3.2), parámetro éste decisivo a la hora de calcular el momento último que soporta la sección.

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5.2 Análisis comparativo estructural composite-chapa

Según las tablas de resistencia (Tabla 5) vemos que para una luz de vano de 3,0 m la Sobrecarga admisible es de 2.054 Kp/m2.

Para realizar ese análisis comparativo, desde el punto de vista estructural, partimos de la Sobrecarga admisible considerada para esa luz de 3,00 m en el forjado de chapa galvanizada, (Tabla 5), y posteriormente calcularemos la máxima luz a la que podríamos separar los apoyos del forjado mixto de composite, (vigas secundarias), a partir del momento último calculado.

Posteriormente compararemos esta luz del forjado de laminado compuesto con la luz de 3,00 m (Tabla 5) del forjado de chapa galvanizada.

Los coeficientes de mayoración de acciones considerados son: 1,35 para el peso propio del forjado y 1,50 para la sobrecarga admisible. El peso propio del forjado es el establecido en la Tabla 5.

A partir del Momento último calculado, MpRd , considerando : un tramo único, biapoyado, momento isostático ( Mo = PL2/8), obtenemos una luz máxima para el forjado mixto de composite colaborante de 6,88 m.

Sin embargo, con el forjado de chapa galvanizada, para la sobrecarga admisible analizada (2.054 Kp/m2) tenemos una luz de nervio de 3,00 m, por lo que en un tramo de forjado de 6,88 m de longitud de nervio, tendremos que colocar un apoyo intermedio (viga secundaria).

Para calcular esta viga elegimos un perfil de acero S-275-JR, IPE, con una luz de 3,25 m (luz normal para vigas secundarias).

Consideramos una viga biapoyada (momento isostático), con una sobrecarga de 2.054 Kp/m2. El coeficiente de seguridad aplicado al límite elástico es γM0 = 1,05, establecido en el apartado 2.3.3 del documento DB SE-A Acero [9].

En base a estos datos, bastaría con aplicar la teoría general de la flexión y calcular el módulo resistente necesario, resultando un módulo resistente, Wx, de 550 cm3, lo que nos da un perfil IPE-300.

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5.3. Análisis comparativo económico

A continuación realizaremos un análisis económico del sistema constructivo de composite colaborante propuesto, comparándolo con el sistema tradicional de chapa galvanizada.

Este análisis lo haremos para la misma sobrecarga admisible que la que hemos utilizado para realizar el análisis estructural y una luz de vano de 6,00 m, para poder comparar realmente los dos sistemas.

No tendremos en cuenta el recubrimiento ignífugo que en ambos casos fuera necesario, ya que este material tendría el mismo precio en un sistema que en otro.

El precio descompuesto en ejecución material del m2 de forjado mixto de chapa colaborante con apoyo intermedio con viga IPE-300 es el siguiente: Oficial 1ª estructura 0,30 h a 13,50 €/h 4,05 € Ayudante estructura 0,30 h a 12,98 €/h 3,89 € Hormigón HA-25/P/12/2a 0,13 m3 a 55,71 €/m3 7,25 € Malla electrosoldada 15*30, ø6 1,15 m2 a 2,00 €/m2 2,30 € Chapa acero galv. colaborante 1,2mm 1,00 m2 a 77,65 €/m2 77,65 € Viga IPE-300 acero S-275 JR 1,00 ml a 70,34 €/ml 70,34 € 5 % Material auxiliar + Costes Indirectos 5 %/165,48 8,27 € Total Precio Ejecución Material (m2 forjado mixto chapa colaborante) 173,75 €

El peso de la chapa de acero es de 7.850 Kg/m3 mientras que el del composite es de 1.750 Kg/m3, es decir un 77 % menor que el acero; por lo tanto esta diferencia de peso también se tiene que trasladar a la tabla de rendimientos de la mano de obra; consideramos que la partida correspondiente a la mano de obra sería un 50 % menor.

El hormigón sería el mismo, dado que el forjado tiene el mismo canto en un caso que en otro, para poder hace la comparación.

La malla electrosoldada también sería la misma, ya que los dos forjados la llevarían en la misma proporción.

La viga IPE-300 ya no sería necesaria en el composite, tal y como hemos visto en el análisis estructural.

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En cuanto al laminado compuesto de fibra de carbono con resina epoxi, se ha realizado un sondeo entre empresas nacionales del sector y se ha obtenido presupuesto para ejecutar un forjado de unos 800 m2. Las planchas de composite se han presupuestado con unas dimensiones de 6,60 x 0,84 m2, con un espesor de 1,2 mm.

Según los presupuestos obtenidos de empresas del sector nacional, el precio de cada plancha estaría en torno a 1.201 €. Para la fabricación de las planchas, hay que presupuestar aparte el molde y la tapa, computándose estos costes como inversión inicial. Se ha considerado un 5% de esta inversión inicial como coste de amortización, que se ha imputado en el precio simple del laminado, resultado un precio simple de 227,46 €/m2 de laminado compuesto.

Según lo expuesto anteriormente, el precio descompuesto estimado, en ejecución material, del m2 de forjado mixto de composite colaborante, sería el siguiente: Oficial 1ª estructura 0,15 h a 13,50 €/h 2,03 € Ayudante estructura 0,15 h a 12,98 €/h 1,95 € Hormigón HA-25/P/12/2a 0,13 m3 a 55,71 €/m3 7,25 € Malla electrosoldada 15*30, ø6 1,15 m2 a 2,00 €/m2 2,30 € Laminado compostie FC 1,2mm 1,00 m2 a 227,46 €/m2 227,46 € 5 % Material auxiliar + Costes Indirectos 5 %/240,99 12,05 € Total Precio Ejecución Material (m2 forjado mixto composite colaborante) 253,04 € 6. Conclusión y discusión

Del presente estudio podemos obtener como conclusión principal que el forjado mixto de hormigón y laminado compuesto colaborante de fibra de carbono, ofrece mejores prestaciones mecánicas a esfuezos de flexión que el realizado con chapa de acero galvanizado.

Aparte de la comprobación a flexión, habría que realizar las

comprobaciones mecánicas correspondientes a esfuerzo rasante, esfuerzo cortante y punzonamiento. También habría que comprobar la estabilidad al fuego.

Económicamente vemos que su precio es del orden de un 45,6 % más

elevado que el de chapa galvanizada. Pero a la hora de la elección de uno u otro sería conveniente tener en cuenta que los polímeros reforzados con

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fibras de carbono han comenzado a utilizarse como materiales de construcción debido a que poseen ciertas propiedades que hacen que su uso pueda resultar potencialmente ventajoso frente a materiales tradicionales como el hormigón o el acero. Entre estas propiedades pueden citarse [3]:

- Gran ligereza y buenas características mecánicas, destacando sus elevadas resistencia y rigidez específicas y buena resistencia a la fatiga. Esto se traduce en economía y facilidad de transporte y puesta en obra, reduciéndose los plazos y costes de ejecución, sin olvidar la reducción de cargas muertas.

− Resistencia a la corrosión y al ataque de agentes ambientales, una ventaja importante en aplicaciones costeras, marinas y en general en todos aquellos ambientes que sean agresivos, siendo el mantenimiento prácticamente nulo.

− Poseen una baja conductividad térmica y no producen interferencias con campos electro-magnéticos, lo que les hace insustituibles en algunas aplicaciones.

− Presentan gran libertad de formas y diseños, y existe la posibilidad de moldeo en grandes piezas, por lo que en ocasiones de difícil ejecución con materiales tradicionales, se puede contemplar su utilización sin ningún tipo de limitaciones desde el punto de vista de proceso de fabricación.

- Eligiendo el tipo de fibra y la matriz, el porcentaje de refuerzo y la

orientación de las fibras, puede diseñarse el material con las características que requiera cada aplicación.

Pese a estas excelentes propiedades, su introducción en la construcción

se está produciendo lentamente debido a varias razones:

− Precio superior al del acero, al menos por unidad de peso (la relación es menos desfavorable si se considera por unidad resistente). Los precios de estos materiales están bajando en los últimos años, al incrementarse la producción y desarrollarse métodos de fabricación más eficaces, como la pultrusión. Ya en la actualidad, si se considera el coste de manera global a lo largo de la vida útil del edificio, el uso de polímeros reforzados con fibra de carbono podría resultar competitivo en muchas ocasiones, debido a la reducción de plazos de ejecución, coste de mano de obra, costes de mantenimiento, seguridad en el trabajo, etc.

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− Inercia del sector, falta de experiencia por parte de los técnicos y sobre todo, falta de normativa y guías de diseño y construcción adecuadas, elaboradas sobre una base experimental firme. Referencias [1] Miravete, A. (2000). “Materiales Compuestos”. Zaragoza. Editorial: Antonio Miravete de Marco. ISBN 9788492134991 [2]Miravete, A. (2001).”Hacia la fibra de carbono en la construcción” Materiales de Construcción, Vol. 51, nºs 263-264. Madrid: CSIC. [3]Diego Villalón, A., Gutiérrez Jiménez, J.P., Arteaga Iriarte, A., López Hombrados, C. (2008). “Utilización de materiales compuestos en la construcción de nuevos puentes”. Actas II Jornadas de Investigación en Construcción. ICC Eduardo Torroja. Madrid CSIC. [4] J. M. Mieres, I. Calvo, A. Miravete, E. Gutiérrez, E. Shahidi, C. López, J. Cuartero, P. Comino y R. Guzmán de Villoria. (2006). “Descripción de paso superior vehicular de la Autovía del Cantábrico realizado con materiales compuestos”. Materiales de Construcción, Vol. 56, nº 284. Madrid: CSIC. [5] Aguirregomezkorta, A. Hoyos, G. Aretxaga, G. Sarrionandía, M. Aurrekoetxea, J. (2008). “Propiedades mecánicas de composites pCBT/fibra de carbono”. San Sebastián: X Congreso Nacional de Materiales. [6] Sánchez, S (2002). “Comportamiento mecánico a flexión y tolerancia al daño de materiales compuestos de fibra de carbono y matriz epoxi a baja temperatura”. Madrid. Universidad Carlos III. [7] Illa Laguna, C. (2008). “Forjados mixtos de chapa colaborante. Análisis, proyecto y construcción”. Departamento de Ingeniería de la Construcción. Universidad Politécnica de Cataluña. [8] UNE ENV 1994-1-1: Eurocode 4. Design of composite steel and concrete structures –Part 1-1: General rules and rules for buildings. (2004). Brussels. [9] Código Técnico de Edificación. Documento Básico SE-A, Seguridad estructural, Acero. (2.006). Ministerio de Fomento.

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ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE FORJADOS MIXTOS DE COMPOSITE COLABORANTE DE FIBRA DE CARBONO

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