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Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural, A.C.

EFECTO DE LA FIBRA DE CARBONO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE VIGAS DE CONCRETO REFORZADO

Oscar M. González Cuevas1, José J. Guerrero Correa1, Danny Arroyo Espinoza1 y Leopoldo Quiroz Soto1

RESUMEN Este artículo presenta los resultados de un proyecto experimental el cual estudió el efecto del refuerzo adicional a flexión mediante fibra de carbono (FC) en las propiedades mecánicas de vigas de concreto reforzado, principalmente en lo que se refiere a resistencia y capacidad de deformación. Se realizaron ensayes experimentales en seis vigas simples de concreto reforzado sujetas a carga monotónica y en cuatro sub-ensamblajes viga-columna sujetos a carga cíclica reversible. Con base en los resultados obtenidos se identifican las necesidades de investigación para establecer una metodología racional de diseño de este tipo de elementos y se discute el efecto que dicho refuerzo podría tener en el comportamiento de estructuras reforzadas con esta técnica.

ABSTRACT This paper summarizes the results of an experimental program carried out to study the mechanical behavior of reinforced concrete beams reinforced with fiber reinforced polymers (FRP). The paper includes the experimental results of six beams under monotonic load and four beam-column elements under cyclic load. From the results obtained the effect of the FRP reinforcement on the seismic design or structures is discussed.

INTRODUCCIÓN Actualmente, numerosas estructuras de concreto reforzado no cumplen con los requerimientos que establecen los reglamentos vigentes de diseño, dado que fueron construidas antes de la implantación de dichos reglamentos, a que presentan daños como consecuencia de algún evento sísmico intenso o situaciones en las que debido al cambio de uso o remodelaciones de una construcción algunos elementos estructurales no tienen la suficiente capacidad resistente para soportar las nuevas condiciones de carga a la que estarán sometidos. Debido a esto se han implementado diferentes técnicas de reparación y/o refuerzo. Hasta ahora las técnicas más comunes para la reparación y/o refuerzo son el encamisado con concreto o con perfiles de acero, postensado y refuerzo mediante placas de acero. En los últimos años, con la aparición de nuevos materiales estructurales han surgido técnicas innovadoras de reparación y/o refuerzo como son el uso de fibra de carbono, refuerzo también conocido como FRP, y fibra de vidrio. Diferentes estudios han reportado que el uso de estas técnicas pueden ser una buena solución para el refuerzo y reparación de elementos de concreto reforzado (Pantelides, et al 1999, López, 1999, ACI Committe 440). Dado que en nuestro país existe un gran número de construcciones ubicadas en zonas sísmicas que deben ser reforzadas y/o reparadas, la aplicación de estas nuevas técnicas puede resultar una buena opción, siempre y cuando se cuente con una metodología racional de diseño. Para incorporar el uso de la fibra de carbono en el refuerzo y reparación de elementos de concreto reforzado a la práctica común es necesario realizar estudios tanto teóricos como experimentales que permitan: establecer el comportamiento estructural de elementos reparados o reforzados mediante estas técnicas, definir las ventajas y desventajas del uso de estos materiales

1 Profesor, Universidad Autónoma Metropolitana - Azcapotzalco, Av. San Pablo no. 180, Col. Reynosa,

02200 México, D.F. Teléfono: (55)5318-9000 ext 2123; Fax: (55)5318-9085; [email protected] , [email protected] , [email protected] , [email protected]

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mailto:[email protected]




XIII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puebla, Pue., México 2002

de manera que sea posible establecer bajo que condiciones pueden resultar una buena solución y fijar una metodología de diseño y evaluación de elementos reparados o reforzados mediante estas técnicas.

PROGRAMA EXPERIMENTAL El objetivo principal de este estudio es determinar el efecto del refuerzo mediante fibra de carbono en las propiedades mecánicas de vigas de concreto reforzado sujetas a flexión bajo la acción de carga monotónica creciente y carga cíclica reversible, principalmente en lo que se refiere a la resistencia y capacidad de deformación, presentar observaciones y recomendaciones acerca del uso de este tipo de material e identificar necesidades de investigación con el fin de establecer una metodología racional de diseño. Las pruebas se realizaron en dos etapas. En la primera etapa se realizaron pruebas experimentales a flexión en seis vigas de concreto reforzado sujetas a carga monotónica creciente, con refuerzo adicional de fibra de carbono en cuatro de ellas y en la segunda etapa se realizaron pruebas en cuatro sub-ensamblajes viga-columna sujetos a carga cíclica reversible, con refuerzo adicional de fibra de carbono en dos de ellas. PRIMERA ETAPA: ELEMENTOS SUJETOS A CARGA MONOTÓNICA En esta etapa se realizaron pruebas experimentales en seis vigas de concreto reforzado simplemente apoyadas y sujetas a carga monotónica aplicada en el centro del claro. Dos de estos elementos, denominados Testigo (elementos T-01 y T-02), no presentan el refuerzo con fibra de carbono, a los restantes cuatro elementos se les colocó una capa de refuerzo en la cara inferior (elementos F-01, F-02, F-03 y F-04). Los materiales utilizados en la fabricación de los elementos fueron; concreto f’c = 250 kg/cm2, acero de refuerzo con Fy = 4200 kg/cm2, fibra de carbono, que presenta un comportamiento lineal hasta la falla, con un esfuerzo último de 40880 kg /cm2 y un módulo de elasticidad de 3780000 kg/cm2 de acuerdo a MBRACE(1998). La figura 1 muestra las dimensiones y la disposición del acero de refuerzo de las vigas de concreto reforzado. Cada espécimen fue instrumentado con cuatro strain gages colocados tal como muestra la figura 1, los strain gages inferiores se colocaron directamente sobre la varilla central del refuerzo longitudinal y los strain gages superiores se colocaron sobre superficie del concreto. Los strain gages inferiores permiten medir en cada incremento de carga la deformación unitaria en el acero de refuerzo a tensión mientras que los strain gages superiores permiten tener mediciones de la deformación unitaria en la fibra extrema a compresión del elemento.

EST#[email protected]

125250

EST#[email protected]#3@15cm

LC

28

Strain gages

15

EST#[email protected]

125250250

EST#[email protected]#3@15cm

LCEST#[email protected]#3@15cm

LC

2828

Strain gages

15

15

35

4

4

208

Var # 3

Var #3 @ 35

15

35

4

4

202088

Var # 3

Var #3 @ 35

Figura1 Dimensiones de las vigas estudiadas y disposición del acero de refuerzo Los elementos T-01 y T-02 fueron diseñados para presentar una falla dúctil por flexión, mientras que los elementos F-01, F-02, F-03 y F-04 fueron diseñados para que el mecanismo de falla en el elemento fuera la ruptura de la fibra. En los elementos reforzados con fibra de carbono se manejaron dos longitudes de esta fibra: en los especímenes F-01 y F-02, se colocó el refuerzo de fibra de carbono a lo largo de toda la cara inferior de la viga, mientras que en los elementos F-03 y F-04 el refuerzo se interrumpió quince centímetros antes de cada extremo del elemento, por lo que la zona de apoyo quedaba sin este refuerzo, ver figura 2, con el fin de estudiar el efecto que tiene el anclaje mecánico que proporciona el perfil de apoyo al comprimir directamente la fibra en los elementos F-01 y F-02. El ancho de la fibra de carbono colocado en estos elementos fue de 10 cm.

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Apoyo

Viga de reacción

Perfil de apoyo

Fibra de carbono

Elemento de prueba

Apoyo

Viga de reacción

Perfil de apoyo

Fibra de carbono

Elemento de prueba

15

Fibra de carbono

Perfil de apoyo

Apoyo

Elemento de prueba

Viga de reacción

15

Fibra de carbono

Perfil de apoyo

Apoyo

Elemento de prueba

Viga de reacción

15

Fibra de carbono

Perfil de apoyo

Apoyo

Elemento de prueba

Viga de reacción

a) Elementos F-01 y F-02 b) Elementos F-03 y F-04

Figura 2 Detalle de apoyo en los elementos reforzados con FC SEGUNDA ETAPA: ELEMENTOS SUJETOS A CARGA CÍCLICA REVERSIBLE En esta etapa se ensayaron cuatro sub-ensamblajes viga columna de concreto reforzado, dos de ellos con un refuerzo adicional de fibra de carbono, con el fin de complementar los resultados obtenidos en la primera etapa. Las dimensiones de estos elementos fueron determinadas para representar a escala ½ las dimensiones que pudiera tener un marco sismorresistente. La figura 3 muestra las dimensiones de los sub-ensamblajes viga columna y la disposición del acero de refuerzo. Cada espécimen fue instrumentado con cuatro strain gages colocados tal como muestra la figura 3, este arreglo de instrumentación permite medir en cada incremento de carga la deformación unitaria en el acero de refuerzo a tensión y en el acero de refuerzo a compresión, en la sección de la cara de la columna y diez centímetros al interior del nodo. Los elementos identificados como U-01 y U-02 no presentan el refuerzo adicional de fibra de carbono, mientras que a los elementos UF-01 y UF-02 se les colocó una capa de refuerzo adicional de fibra de carbono a lo largo de las caras inferior y superior de la viga, el ancho de la fibra de carbono fue de 10 cm. Los materiales utilizados para estos elementos presentan las mismas características que los materiales utilizados para las vigas sujetas a carga monotónica descritas anteriormente.

175

150

7575

25

25

Estribos # 3 @ 10(en toda la columna)

9 Estribos del #3 @ 5

6 Estribos #3 @ 15

253.48

3.5

25

25

3.64

3.64

Sección de vigaArmado longitudinal 4 barras # 3

Sección de columnaArmado longitudinal 8 barras # 4

Strain gages

10

Strain gages

175

150

7575

25

25



6 Estribos #3 @ 15

175

150

7575

25

25



6 Estribos #3 @ 15

253.48

3.5

25

25

3.64

3.64

Sección de vigaArmado longitudinal 4 barras # 3

Sección de columnaArmado longitudinal 8 barras # 4

Strain gages

10

Strain gages

Figura 3 Dimensiones y disposición de refuerzo de los sub-ensamblajes viga –columna estudiados Cada uno de los elementos fue diseñado para que sin refuerzo adicional con fibra de carbono el elemento tuviera una falla dúctil por flexión mientras que los elementos reforzados con fibra de carbono fueron diseñados para que el mecanismo de falla en el elemento fuera la ruptura de la fibra de carbono, al igual que en el caso de los elementos estudiados en la primera etapa. Estos elementos fueron sometidos a carga cíclica reversible proporcionada por un gato hidráulico colocado en el extremo de la viga, y el elemento columna se fijo a la base del dispositivo de ensayes, tal como se muestra en la figura 4. La figura 4 muestra además la historia de carga utilizada para el ensaye de los especímenes. Se inició la prueba con 3 ciclos de carga de igual amplitud de carga de 446 kg y 390 kg en dirección positiva y negativa respectivamente (la dirección positiva es aquella en la que el gato empuja y la dirección negativa es aquella en la que el gato jala, ver figura 4) y posteriormente cada tres ciclos se aplicaron incrementos de carga de 223 kg y 195 kg en dirección positiva y

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negativa respectivamente, hasta la falla del elemento. Las cargas fueron aplicadas esperando dos minutos entre cada paso de carga.

Espécimen de prueba

Columna de reacción

Piso de reacción

Gato hidráulico

Perfiles de sujeción

Tirantes de sujeción

Espécimen de prueba

Columna de reacción

Piso de reacción

Gato hidráulico

Perfiles de sujeción

Tirantes de sujeción

-3500-2500-1500-500500

150025003500

0 20 40 60 80 1Paso

P(Kg)

00

Figura 4 Dispositivo de carga utilizado en la prueba de los sub-ensamblajes viga columna e historia de carga aplicada

RESULTADOS EXPERIMENTALES ELEMENTOS SUJETOS A CARGA MONOTÓNICA CRECIENTE Elementos T-01 y T-02 La figura 5 muestra al elemento T-01 al fin de la prueba y el patrón de agrietamiento de dicho elemento. Como puede observarse en esta figuras se presento una falla dúctil por flexión tal como se esperaba. El patrón de agrietamiento es típicos de una falla por flexión y se observa claramente la formación de la articulación plástica al centro del claro, que es donde se concentra el daño en el elemento y no se observa ninguna grieta por corte.

LCLC

Figura 5 Aspecto final y patrón de agrietamiento del elemento T-01 Con la mediciones registradas mediante la instrumentación implantada se calcularon la curvatura (ϕ), la rotación (θ) y el desplazamiento(∆), para la sección en el centro del claro del elemento, para el elemento T-01. La rotación se calculó integrando la ϕ y suponiendo una longitud de articulación plástica (lp) de acuerdo a Corley (1966), la figura 6 muestra las curvas M-ϕ y M-∆. En el caso de las gráficas de desplazamiento se grafican dos curvas, la primera identificada como str la cual corresponde a los desplazamientos que se obtienen de integrar la ϕ y la θ, mientras que la segunda mic corresponde a las mediciones directas del desplazamiento mediante los micrómetros. Como puede apreciarse se observa una coincidencia de ambas curvas lo cual es indicativo de que la instrumentación proporciona mediciones confiables.

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T-01

0

1

2

3

4

5

6

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001

ϕ

M(t*m) T-01

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60

∆(mm)

M(t*m) str

mic

Figura 6 Resultados experimentales de la sección al centro del claro del elemento T-01 Resultados similares se obtuvieron para el elemento T-02, información completa al respecto además de una discusión de los problemas relacionados con la instrumentación puede encontrarse en González Cuevas et al. (2002), además de las curvas de rotación obtenidas. Las tabla 1 muestra las siguientes propiedades mecánicas obtenidas experimentalmente para cada uno de estos dos elementos ensayados: curvatura de fluencia experimental (ϕy*), rotación de fluencia experimental (θy*), desplazamiento de fluencia experimental (∆y*), curvatura máxima experimental (ϕm*), rotación máxima experimental (θm*), desplazamiento máximo experimental (∆m*), ductilidad de curvatura experimental (µϕ*), ductilidad de rotación experimental (µθ*), ductilidad de desplazamiento experimental (µ∆*), momento de fluencia experimental (My*) y momento último experimental (Mu*). La información de esta tablas debe ser interpretada de manera cuidadosa sobretodo en lo que se refiere a los valores máximos de deformación y en las ductilidades, ya que estos fueron calculados con los valores que experimentalmente fue posible registrar y no necesariamente reflejan de manera adecuada la capacidad de deformación que en realidad podría tener el elemento, Gonzalez Cuevas et al. (2002) presentan una discusión detallada al respecto.

Tabla 1 Propiedades mecánicas calculadas experimentalmente del elemento T-01 y T-02

ϕy* ϕm* θy* θm* ∆ µ y*(mm) ∆m*(mm) ϕ* µθ* µ∆* My (t*m) Mu (t*m)

T-01 0.000109 0.000823 0.006262 0.0231408 5.63 27.13 7.6 3.7 4.8 1.73 3.16

T-02 0.000145 0.000249 0.008341 0.0143116 7.07 48.76 1.7 1.7 6.9 1.86 3.5 Elementos F-01 y F-02 La figura 7 muestra al elemento F-01 al fin de la prueba y el patrón de agrietamiento de dicho elemento. Como puede observarse en estas figuras se presento una falla por ruptura de la fibra de carbono, tal como se esperaba. La falla es de tipo frágil y ocurre de una forma explosiva y súbita a pesar de que el acero de refuerzo fluye. En el elemento F-01 al romperse la fibra se desprendió prácticamente todo el recubrimiento de la viga, como puede observarse en la figura 7, y este desprendimiento se presenta de forma violenta. Además, se observan numerosas grietas inclinadas a pesar del armado transversal que se proporcionó. Lo anterior sugiere un incremento en el nivel de esfuerzos cortantes en el elemento debido a la gran fuerza horizontal que se genera en la fibra y que esta transmite al concreto. El elemento F-02 exhibió un comportamiento similar al elemento F-01, la diferencia es que el desprendimiento del recubrimiento solamente se presentó en la zona del centro del claro del elemento aunque la falla fue igualmente frágil, información completa al respecto puede encontrarse en González Cuevas et al. (2002).

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CLCLL

Figura 7 Aspecto final y patrón de agrietamiento del elemento F-01 Al igual que en los elementos T-01 y T-02, con los datos obtenidos durante la prueba se construyeron las gráficas de las figura 8 para el elementos F-01, siguiendo el mismo procedimiento que en los elemento T-01 y T-02. En el caso de las gráficas de desplazamiento se grafican dos curvas, la primera identificada como str la cual corresponde a los desplazamientos que se obtienen de integrar la ϕ y la θ, mientras que la segunda mic corresponde a las mediciones directas del desplazamiento mediante los micrómetros. Es notable la disminución en la capacidad de deformación del elemento respecto a los elementos T-01 y T-02, así como el incremento en la resistencia del elemento y el aumento en la rigidez de pos-fluencia. Como puede observarse se aprecia una coincidencia de ambas curvas lo cual es indicativo de que la instrumentación proporciona mediciones confiables. Resulta interesante hacer notar que las expresiones para calcular el valor de lp parecen funcionar bien para elementos con refuerzo adicional de fibra de carbono, a pesar que estas expresiones fueron establecidas con base en el estudio de elementos tradicionales de concreto reforzado. En la tabla 2 se muestran las propiedades mecánicas obtenidas experimentalmente para los elementos F-01 y F-02, la información de estas tablas debe de interpretarse de manera cuidadosa sobretodo en lo que se refiere a los valores máximos de deformación y en las ductilidades pues estos fueron calculados con los valores que experimentalmente fue posible registrar y no necesariamente reflejan de manera adecuada la capacidad de deformación que en realidad podría tener el elemento, aunque en menor medida que el caso de los elementos T-01 y T-02. Una discusión más completa al respecto puede encontrarse en González Cuevas et al. (2002).

Tabla 2 Propiedades mecánicas calculadas experimentalmente del elemento F01 y F-02

ϕy* ϕm* θy* θm* ∆ µ µy*(mm) ∆m*(mm) ϕ* θ* µ∆* My (t*m) Mu (t*m)

F-01 0.00021 0.000318 0.010017 0.0120552 9.79 40.05 1.5 1.2 4.1 2.3 5.7

F-02 0.000127 0.000563 0.007299 0.015868 7.34 17.81 4.4 2.2 2.4 2.875 4.6 Elementos F-03 y F-04 La figura 9 muestra al elemento F-04 al fin de la prueba y el patrón de agrietamiento de dicho elemento. Como puede observarse en estas figuras se presentó una falla por adherencia y la fibra se desprendió antes de romperse. La falla es de tipo frágil y la falla ocurre de una forma explosiva y súbita a pesar de que el acero de refuerzo fluye y se desprendió el recubrimiento en la zona del centro del claro del elemento. La falla por adherencia se presentó a niveles de carga bastante similares a los observados en los elementos F-01 y F-02. El patrón de agrietamiento es similar al presentado en los elementos F-01 y F-02 lo cual también sugiere un incremento en los esfuerzos cortantes. El elemento F-03 exhibió un comportamiento similar a los elementos F-01 y F-02 y la falla se presentó por ruptura de al fibra, González Cuevas et al. (2002) presentan información detallada al respecto.

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F-01

0

1

2

3

4

5

6

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001

ϕ

M(t*m) F-01

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60

∆(mm)

M(t*m) str

mic

Figura 8 Resultados experimentales de la sección al centro del claro del elemento F-01

LCLC

Figura 9 Aspecto final y patrón de agrietamiento del elemento F-04 La figura 10 presenta para el elementos F-04 las curvas momento actuante contra ϕ y ∆, para la sección en el centro del claro del elemento, estos parámetros fueron calculados bajo las mismas consideraciones que en los elementos antes mencionados. La tabla 3 presenta las propiedades experimentales del elemento F-04, se observa un incremento en la capacidad resistente del elemento y una disminución en la capacidad de deformación del elemento, resultados similares a los observados en los elemento F-01 y F-02.

F-04

0

1

2

3

4

5

6

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001

ϕ

M(t*m) F-04

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60

∆(mm)

M(t*m) str

mic

Figura 10 Resultados experimentales de la sección al centro del claro del elemento F-04

Tabla 2 Propiedades mecánicas calculadas experimentalmente del elemento F-03 y F-04

ϕy* ϕm* θy* θm* ∆ µ µy*(mm) ∆m*(mm) ϕ* θ* µ∆* My (t*m) Mu (t*m)

F-03 0.000154 0.000626 0.007637 0.0169108 7.16 10.71 4.1 2.2 1.5 2.875 4.6

F-04 0.000253 0.00059 0.010599 0.0172215 8.54 14.51 2.3 1.6 1.7 2.5 4.5

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ELEMENTOS SUJETOS A CARGA CÍCLICA REVERSIBLE Como se mencionó anteriormente se estudiaron cuatro elementos viga-columna, dos de ellos sin refuerzo adicional con fibra de carbono, U-01 y U-02 y dos de ellos con dicho refuerzo UF-01 y UF-02. Los elementos U-01 y U-02 fueron diseñados para tener una falla dúctil por flexión mientras que los elementos UF-01 yUF-02 fueron diseñados para presentar una falla por ruptura de la fibra de carbono. Al realizar las pruebas se observó que los cuatro elementos presentaban un comportamiento bastante similar, dado que la fibra no pudo desarrollar toda su capacidad, pues una vez que la grieta de flexión en la cara de la columna se extendió en todo el peralte de la viga, dejando al acero de refuerzo como única forma para transmitir fuerzas, el refuerzo de fibra de carbono dejaba de trabajar y el elemento se comportaba como si no tuviera fibra y se presentaba la falla dúctil por flexión. La figura 11 muestra el aspecto final de los elemento U-01 y UF-02. En los elementos U-02 y UF-02 se observaron tendencias similares y pueden encontrarse en González Cuevas et al. (2002). La principal diferencia se presentó en el patrón de agrietamiento, como se puede observar en la figura 12, ya que en los elementos UF-01 y UF-02 se observan algunas grietas por corte y grietas por adherencia (grietas verticales que siguen al acero de refuerzo longitudinal de la viga, hasta el nodo). Estas grietas se formaron cuando la fibra todavía trabajada, es decir, antes de que la grieta por flexión separara a la viga de la columna, lo cual es indicativo de que la fuerza generada por la fibra de carbono puede producir un incremento en los esfuerzos cortantes y en los esfuerzos de adherencia. Las observaciones realizadas sugieren que si se desea que la fibra logre desarrollar toda su capacidad es necesario implantar algún mecanismo de anclaje a fin que la fibra continúe trabajando una vez que la grieta por flexión separe la viga de la columna. De lo contrario el refuerzo con fibra de carbono tiene poco efecto como lo sugiere la figura 13 donde se muestran las curvas momento en el empotramiento – desplazamiento en el extremo de la columna, para los elementos U-01 y UF-01. Los elementos U-02 y UF-02 exhibieron comportamientos similares, González et al.(2002) presentan mayor información al respecto.

Figura 11 Aspecto final de los elemento U-01 y UF-01

U-01 U-02 UF-01 UF-02

Figura 12 Patrones de agrietamiento de los elementos U-01, U-02, UF-01 y UF-04

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-4-3-2

-1012

34

-90 -60 -30 0 30 60 90

∆( mm )

M(t*m)

-4-3-2

-1012

34

-90 -60 -30 0 30 60 90

∆( mm )

M(t*m)

U-01 UF-01

Figura 13 Resultados experimentales del elemento U-01y UF-01

ANÁLISIS DE RESULTADOS ELEMENTOS SUJETOS A CARGA MONOTÓNICA CRECIENTE Con el fin de complementar los resultados experimentales se calcularon las curvas M-ϕ teóricas, mediante el programa BIAX (Wallace 1989), para los elementos sin refuerzo con fibra y para los elementos con refuerzo con fibra de carbono. Para el cálculo de estas curvas se consideraron las propiedades mecánicas del acero de refuerzo mexicano de acuerdo a Rodríguez y Botero (1995), las propiedades mecánicas de la fibra de carbono de acuerdo a las especificaciones de M-Brace (1998) y se consideró una distribución de esfuerzos en el concreto a compresión de acuerdo a Kent y Park (1971). Para los elementos sin refuerzo de fibra de carbono se consideró como la máxima ϕ aquella en la que la deformación unitaria del concreto a compresión alcanzaba un valor de 0.003, mientras que la máxima ϕ para los elementos con refuerzo de fibra de carbono se consideró aquella en la que se alcanzaba la deformación unitaria de ruptura de la fibra de carbono. Además se calcularon las curvas M-θ y M-∆ teóricas con base en la ϕ y suponiendo una longitud de articulación plástica de acuerdo a Corley(1966). Dichos valores teóricos se comparan con los resultados experimentales en las figura 14 para los diferentes elementos estudiados, para el caso de curvaturas, en González Cuevas et al. (2002) pueden encontrarse las comparaciones entre rotaciones y desplazamientos.

0

1

2

3

4

5

6

0.0000 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040

ϕ

M(t*m) Teórica T-01 T-02

0

1

2

3

4

5

6

0.0000 0.0010 0.0020 0.0030 0.0040

ϕ

M(t*m) Teorica F-01

F-02 F-03

F-04

Figura 14 Comparación entre las curvas momento-curvatura teóricas y experimentales para los elementos estudiados

En el caso de los elementos sin refuerzo de fibra de carbono, T-01 y T-02, se observa claramente que la instrumentación dejó de registrar mediciones antes de que el elemento desarrollara su máxima capacidad de deformación, por lo que los datos experimentales disponibles subestiman de manera importante la capacidad máxima de deformación de estos elementos. En cambio, para los elementos con refuerzo de fibra de carbono F-01 a F-04, los cuales exhibieron un comportamiento frágil, las mediciones experimentales proporcionan una mejor estimación de la capacidad de deformación máxima de dichos elementos, como se muestra en las figura 14, donde las máximas mediciones experimentales se acercan más a la máxima capacidad de deformación teórica, en comparación a los elementos T-01 y T-02. González Cuevas et al. (2002) discuten en detalle las diferencias entre las curvas presentadas. Tomando en cuenta lo anterior se puede considerar que las

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119


curvas teóricas reflejan de manera razonable el comportamiento de los elementos estudiados. La tabla 3 muestra las propiedades mecánicas calculadas con base en las curvas teóricas.

Tabla 3 Propiedades mecánicas teóricas

My (t*m) Mu (t*m) ϕy µϕ θy µθ

S/Fibra 2.28 3.26 0.0003078 9.8 0.0176985 4.0

C/Fibra 2.61 4.12 0.0002781 3.7 0.0159908 1.9 Con base en los resultados teóricos y experimentales se presentan las siguientes observaciones:

• Los elementos F-01, F-02, F-03 y F-04 exhibieron prácticamente el mismo comportamiento mecánico, por lo que el anclaje mecánico que se proporcionó a los elementos F-01 y F-02 tiene poco efecto en cuanto al comportamiento mecánico. El principal efecto del anclaje mecánico es en el mecanismo de falla, ya que en los elementos en los que se proporcionó dicho anclaje, F-01 y F-02, el mecanismo de falla fue por ruptura de la fibra de carbono, mientras que en uno de los elementos a los que no se les proporcionó el anclaje mecánico, F-04, exhibió una falla por adherencia de la fibra de carbono. Resulta interesante hacer notar que la falla por adherencia en la fibra y la falla por ruptura de la fibra se presentaron en niveles muy similares de carga y deformación y ambos modos de falla son frágiles.

• Se tiene un aumento en la capacidad resistente de los elementos así como en el momento de fluencia, este aumento depende de la cantidad de fibra de carbono suministrada, cabe mencionar que en este estudio solamente se ha considerado el caso en el que la cantidad de fibra permite la fluencia del acero de refuerzo, pero si se aumenta demasiado la cantidad de fibra se podría presentar la falla por aplastamiento del concreto. La cantidad de fibra puede calcularse con base en las hipótesis clásicas de la teoría de flexión en elementos de concreto reforzado. Para el caso de los elementos estudiados en este proyecto de investigación se obtuvo un aumento en la capacidad resistente del orden del treinta por ciento al colocar el refuerzo adicional con fibra de carbono.

• El refuerzo adicional con fibra de carbono produce un incremento considerable en la rigidez de pos-fluencia, este aumento depende de la cantidad de fibra suministrada.

• Se presenta una disminución considerable de la capacidad de deformación del elemento, con el refuerzo con fibra de carbono esta disminución esta acompañada de un mecanismo de falla frágil y explosivo, no obstante la fluencia del acero de refuerzo.

• Se observó además un cambio en los patrones de agrietamiento para los elementos con refuerzo de fibra de carbono, ya que en dichos elementos se generaron grietas por cortante debidos a un aumento en los esfuerzos cortantes en el elemento, producidos por el alto valor de la fuerza horizontal que se genera en la fibra.

ELEMENTOS SUJETOS A CARGA CÍCLICA REVERSIBLE

En este caso se observó que el refuerzo con fibra tiene poco efecto debido a que la fibra no pudo desarrollar toda su capacidad, ya que una vez que la grieta de flexión se extendió en todo el peralte de la viga el refuerzo con fibra dejo de trabajar, y el comportamiento del elemento es muy similar al que tendría un elemento sin refuerzo de fibra de carbono. La principal diferencia en el comportamiento entre elementos con y sin refuerzo adicional con fibra de carbono, en este caso en el que la fibra no pudo desarrollar toda su capacidad, se observó en el patrón de agrietamiento. En los elementos con refuerzo adicional con fibra de carbono se presentaron grietas de cortante y de adherencia que se formaron cuando la fibra de carbono todavía trabajaba, lo cual sugiere un incremento en los esfuerzos cortantes y de adherencia. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS CON REFUERZO ADICIONAL DE

FIBRA DE CARBONO Aunque los estudios aquí presentados fueron realizados en elementos estructurales y las características de los modelos experimentales tienen ciertas limitaciones, dichos resultados pueden proporcionar una idea del comportamiento que se puede presentar en estructuras reforzadas mediante estas técnicas. Si la mayoría de las

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vigas de un marco se refuerzan con fibra de carbono, el comportamiento mecánico de la estructura completa, bajo ciertas condiciones, se asemejaría al comportamiento mecánico del elemento. Bajo este razonamiento se presentan consideraciones que deben tenerse en mente en el diseño de elementos y estructuras con refuerzo de fibra de carbono. Es razonable utilizar las hipótesis clásicas de la teoría de flexión en secciones de concreto reforzado para el análisis y diseño de secciones con refuerzo adicional a flexión de fibra de carbono, además las expresiones empíricas propuestas por Corley (1966) para estimar la longitud de articulación plástica parecen proporcionar resultados razonables para elementos con refuerzo adicional con fibra de carbono. El uso de la fibra de carbono permite incrementar la resistencia a flexión de secciones de concreto reforzado, siempre y cuando se asegure que la fibra desarrolle toda su capacidad, para lo cual es necesario colocar algún dispositivo de anclaje en la sección de la unión viga –columna. Si se logra que la fibra desarrolle toda su capacidad el mecanismo de falla que se obtiene es un mecanismo de falla frágil y explosivo, poco aconsejable en zonas símicas, aún cuando el acero de refuerzo alcance la fluencia. Es claro que no es razonable utilizar los factores de reducción (FR) que actualmente se utilizan para el diseño a flexión de elementos de concreto reforzado, dado la naturaleza frágil de la falla que se obtiene con el refuerzo con fibra de carbono. Se debe tratar de encontrar algún arreglo de refuerzo con fibra de carbono que evite el comportamiento frágil del elemento. Además, no solamente se debe realizar una revisión por flexión, se debe revisar además los incremento en los esfuerzos cortantes y de adherencia que la fibra genera, lo cual puede realizarse mediante el uso de modelos realistas, disponibles actualmente, para la evaluación de la resistencia a cortante y adherencia de elementos de concreto reforzado. La disminución de la capacidad de deformación en los elementos reforzados con fibra de carbono puede tener un alto impacto en la capacidad de deformación de toda la estructura. La disminución en la capacidad de deformación de una estructura puede verse reflejada en un incremento importante en las fuerzas sísmicas de diseño, con lo que el incremento en la capacidad resistente obtenida con la adición de la fibra de carbono puede resultar poco efectiva. Se debe ser muy cuidadoso en la estimación de las fuerzas sísmicas de diseño de estructuras reforzadas con fibra de carbono pues la disminución de la capacidad de deformación puede verse reflejado en una disminución importante del factor de reducción de resistencia de fuerzas sísmicas (Rµ), dependiendo del periodo de la estructura, y por consiguiente en un incremento en las fuerzas sísmicas de diseño. Lo anterior dentro del contexto de las NTC-DF significa que se debe ser muy cuidadoso al estimar el valor del factor de comportamiento sísmico (Q) que se debe utilizar para la estimación de las fuerzas sísmicas de diseño, ya que a falta de otros estudios es aconsejable que dicho valor se estime con base en análisis no lineales. Lamentablemente, este tipo de análisis no es muy usado en la práctica común, por lo que es necesario que se realicen investigaciones encaminadas a establecer de una manera simple el valor del factor de comportamiento sísmico que debe utilizarse en el diseño de estructuras reforzadas con fibra de carbono.

CONCLUSIONES En años recientes, con el desarrollo de nuevos materiales estructurales han surgido técnicas innovadoras de refuerzo y reparación de estructuras mediante el uso de fibra de carbono y fibra de vidrio. El uso de estos materiales tiene la ventaja de que el tiempo de reparación es mucho menor y tienen un mejor aspecto arquitectónico que las técnicas tradicionalmente utilizadas, además de que pueden obtenerse incrementos importantes en la capacidad resistente de los elementos. Para que se obtenga el incremento en la resistencia a flexión de secciones de concreto reforzadas con fibra de carbono debe asegurarse que la fibra desarrolle toda su capacidad, para lo cual es necesario colocar algún dispositivo de anclaje en las secciones de las uniones viga –columna. El incremento en la resistencia está acompañado de un mecanismo de falla frágil y explosivo, así como de una disminución en la capacidad de deformación del elemento. Además se presentan incrementos en los esfuerzos cortantes y de adherencia en el elemento, los cuales deben de revisarse para un diseño adecuado de los elementos. La disminución de la capacidad de deformación en los elementos reforzados con fibra de carbono puede tener un alto impacto en la capacidad de deformación global de la estructura lo cual puede influir de manera decisiva en la estimación de las fuerzas sísmicas a las que puede verse sujeta durante eventos sísmicos intensos. Debe ponerse especial atención en el factor de comportamiento sísmico utilizado en la estimación de las fuerzas sísmicas de diseño, hasta ahora la manera más racional de estimar el valor de este factor es mediante análisis no lineales. Esta disminución en la capacidad de deformación de la estructura

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cuando sus elementos se refuerzan con fibra de carbono, así como la falla frágil que se presenta, pueden producir que el refuerzo a flexión con fibra de carbono resulte inconveniente en estructuras ubicadas en suelos blandos con periodos cercanos al periodo predominante del terreno donde pueden verse sometidas a altas demandas de capacidad de disipación de energía. En este estudio se identificaron diferentes necesidades de investigación tales como; encontrar un mecanismo de anclaje simple que permita que la fibra desarrolle toda su capacidad en las zonas de unión viga-columna, establecer un valor racional del factor de reducción para el diseño de este tipo de elementos, encontrar algún arreglo de refuerzo con fibra de carbono que evite el comportamiento frágil del elemento, estimar de una manera simple el valor del factor de comportamiento sísmico que debe utilizarse en el diseño de estructuras reforzadas con fibra de carbono. Los resultados obtenidos sugieren que si se desea utilizar la fibra de carbono como refuerzo en elementos principales de estructuras ubicadas en zonas sísmicas se debe recurrir a métodos sofisticados de análisis, con el fin de asegurar el buen comportamiento estructural durante eventos sísmicos intensos. Es necesario dirigir aún mayores esfuerzos de investigación con el fin de establecer una metodología razonable de diseño de este tipo de estructuras y adaptar esta metodología a los formatos de los códigos actuales de diseño. Al respecto, los autores continúan desarrollando proyectos de investigación encaminados a establecer una metodología racional de diseño de este tipo de estructuras.

AGRADECIMIENTOS Las siguientes personas e instituciones brindaron apoyos y facilidades que permitieron la realización de este proyecto de investigación, los autores agradecen dichos apoyos proporcionados. La Secretaría General de Obras del Gobierno del Distrito Federal por el patrocinio proporcionado. La Universidad Autónoma Metropolitana por las facilidades prestadas. El CENAPRED por el equipo facilitado para la adquisición de datos experimentales. Al Ingeniero Miguel Chávez por el apoyo prestado durante el acondicionamiento de los elementos estudiados. A la empresa MBT por el material proporcionado para la fabricación de los especimenes. Los alumnos de la carrera de Ingeniería Civil de nuestra universidad Oscar R. Galván Cuellar y Humberto Vilchis Álvarez por su participación en los diferentes trabajos experimentales llevados a cabo en este proyecto de investigación.

REFERENCIAS ACI COMMITTE 440. State-of-the-art report on application of FRP composites.199?. Corley, W. G, (1966), “Rotational capacity of reinforced concrete beams”, Journal of Structural División, ASCE, Vol. 92, ST5, octubre 1966, pg 121-146 González Cuevas O. M, Guerrero Correa J. J., Arroyo Espinoza D. y Quiroz Soto L. (2002) “ Comportamiento mecánico de vigas de concreto reforzado con fibra de carbono” Reporte de investigación presentado ante la Secretaría General de Obras del DF. Kent, D. C., Park R. (1971), “Flexural members with confined concrete”, Journal of Structural División, ASCE, Vol. 97, ST7, julio 1971, pg 99-110 López Bátiz Oscar, (1999),"Uso de fibra de carbón como tecnología para el refuerzo ante sismo de elementos y estructuras de concreto reforzado". Memorias del XII Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, 1999. MBRACE (1998), “Sistema compuesto de refuerzo MBRACE, Guía de diseño estructural”, Segunda edición, Masters builders technologies. Pantelides, C., Gergely, J., Reaveley, L., Volny, V., (1999),"Retrofit of RC bridge pier with CFRP advanced composites". Journal of Structural Engineering, Vol 125 n10, october 1999. Rodríguez M., Botero J. C., (1995) “ Comportamiento sísmico de estructuras considerando las propiedades mecánicas de aceros de refuerzo mexicanos”, Revista de Ingeniería Sísmica, N° 49, pag 39-50 Wallace J. W, (1989) “BIAX, a computer program for the analysis of reinforced concrete sections” Universidad de California en Berkeley

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EFECTO DE LA FIBRA DE CARBONO EN LAS … · En esta etapa se realizaron pruebas experimentales en...

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