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..........Medellín, 19 abril de 2005

No. 22


REFUERZO DE ESTRUCTURAS CON MATERIALES COMPUESTOS

El avance y dinamismo de la industria ha llevado a la necesidad de mejorar la infraestructura presente en sus plantas de producción, así pues, van siendo obligatorias las mejoras en la capacidad de sus estructuras debido a aumentos en las cargas de almacenamiento de bodegas, cambios de equipos por modernización de las plantas que conllevan a un aumento en el peso de los mismos, cambio en el uso de las edificaciones debido a traslados o ampliaciones internas o por cambio de dueño, sometimiento a cargas vibratorias y cambios en los sistemas estructurales como eliminación de muros cargueros, entre otros.
Aplicación de fibra de carbono
 

Las causas anteriormente expuestas sumadas a otros problemas de patologías como envejecimiento por carbonatación del concreto o daños por sobrecargas, impactos, sismos y grietas son quizás las más importantes y frecuentes razones para reforzar estructuras existentes en las plantas industriales.

Por años se han empleado ciertas soluciones como el refuerzo con materiales tradicionales como el hormigón y el acero en barras, incrementando las secciones de los elementos estructurales de las edificaciones; esto conduce a un aumento en capacidad pero a su vez a una reducción de espacio tan importante en cualquier edificio.

También ha sido practica común el refuerzo con placas de acero que se adhieren a las secciones de hormigón las cuales tienen como principal inconveniente, por encima de la degradación en el aspecto arquitectónico, la necesidad de mantenimiento, que normalmente no se tiene muy presente por parte de los propietarios de los edificios que continúan con la idea de tener construcciones de hormigón que nunca requieren ser pintadas. Se agrava más aun el problema en determinado tipo de industrias donde las sustancias presentes en el ambiente son un verdadero enemigo de cualquier elemento metálico llegando a afectar los refuerzos, por corrosión.

 

USO DE MATERIALES COMPUESTOS

Hoy en día los ingenieros calculistas estructurales cuentan con nuevas tecnologías que les permiten hacer refuerzos de una manera mucho más limpia, rápida y con una alta relación beneficio/costo. Este es el caso de los polímeros reforzados con fibras de carbono o de vidrio. Estudios realizados han demostrado que esta tecnología es altamente competitiva ante los sistemas de refuerzo tradicionales, ya que estos materiales son de alta resistencia y muy livianos.

Actualmente, únicamente Japón tiene una normatividad para el diseño de este tipo de refuerzos, pero otros países como Francia y España han venido trabajando e investigando para desarrollar sus propios códigos. En Estados Unidos el Instituto Americano del Concreto ACI, comité 440-F, está actualmente trabajando para definir una metodología clara de diseño y construcción.

A pesar de que en términos de normas no se tiene mucha experiencia, este material cuyo uso se remonta a la década de los cuarenta en la industria aerospacial, automotriz y de deportes, se ha venido utilizado en la construcción desde la década de los ochenta.

 

MATERIALES COMPUESTOS USADOS PARA REFUERZO DE ESTRUCTURAS

Los materiales compuestos están constituidos por una combinación de una matriz de resina con fibras, con el fin de mejorar los valores de las propiedades mecánicas y físico-químicas que estos elementos poseen por separado. Las fibras son los elementos con capacidad de carga y la matriz sirve para unirlas entre sí, permitiendo la transferencia de carga entre ellas, y protegerlas del medio ambiente.

Existen dos tipos, de acuerdo con la dirección de las fibras:

Unidireccionales: con fibras en un solo sentido, utilizados para el refuerzo de vigas y columnas.
Bidireccionales: con fibras en ambos sentidos, utilizados para el refuerzo de losas.

En aplicaciones estructurales se utilizan generalmente resinas epóxicas por su excelente resistencia química y mecánica y excepcional estabilidad ambiental, combinadas con fibra de carbono o de vidrio que presentan alta rigidez y resistencia mecánica, comportamiento excepcional ante la fatiga (mejor que el acero), excelente resistencia química y medioambiental, baja densidad y bajo coeficiente de expansión térmica.

Los mantos de fibra se fijan por medio de resinas epóxicas a los elementos estructurales a reforzar, para proporcionar la adherencia necesaria para que puedan trabajar solidariamente.

En la figura 1 se presenta un diagrama de momento-curvatura para una una viga antes y después de la aplicación del refuerzo con fibra de carbono.

Figura 1. Diagrama de Momento curvatura para la sección reforzada.

FORMA DE USO

El primer paso es el diseño por parte de ingenieros especializados en el tema. Dentro de los parámetros más importantes en el diseño de refuerzos estructurales con materiales compuestos están: la localización del problema, la determinación de la capacidad real de carga de los elementos que se van a reforzar y la elección del tipo de fibra más adecuada de acuerdo al caso, e incluso puede ser necesario hacer algunos ensayos de laboratorio para determinar la resistencia de los materiales presentes en la estructura a tratar.

Una vez elaborado el diseño se inicia el proceso de refuerzo con la preparación de la superficie, que consiste en retirar la pintura, lechada superficial o cualquier material contaminante presente en la superficie del elemento a reforzar, para garantizar una perfecta adherencia.

Luego se procede al achaflanado de las aristas vivas (limar las esquinas) del elemento, con el fin de evitar que se descuelgue el material por las altas tensiones que se producen en esta zona.

Se da uniformidad a la superficie con un mortero especial que permite rellenar todos los agujeros presentes. Esto debe hacerse con 24 horas de anticipación a la aplicación del refuerzo.

Se marcan en el elemento las líneas donde irán las tiras del manto de fibra según el diseño, se aplica el epóxico por medio de una espátula o rodillo y finalmente se pega el refuerzo.

Refuerzo transversal en fibra de carbono

un caso real

En la figura 2 se ilustra un ejemplo de la aplicación de ésta tecnología en una patología estructural que presentó un edificio de parqueaderos en la ciudad de Medellín, donde se encontró un problema de grietas importantes en un par de vigas principales del quinto nivel.

Figura 2. Esquema de una de las vigas principales

Las vigas de 12m de largo soportaban una losa sobre una longitud aproximadamente igual a la mitad de su luz y al centro, perpendicularmente, llegaba una viga borde de la losa; la otra mitad de la luz estaba libre de carga. En el punto central (coincidiendo con la llegada de la viga perpendicular) tenían además una cuelga que servía para transmitir las cargas a otra viga del nivel 6.

El dictamen del análisis del problema arrojó como resultado que las vigas presentaban un problema de torsión y que la cuelga central no tenía la capacidad de soportar el momento torsor aplicado, lo cual se evidenciaba por las amplias grietas y deformación que presentaban.

La solución al problema era proporcionar un refuerzo adicional a la torsión para que las vigas tuvieran la capacidad de trabajar sin contar con la cuelga que estaba al borde de la falla. El refuerzo debía estar conformado por barras longitudinales superiores e inferiores y estribos adicionales.

Inicialmente se planteó la alternativa tradicional de encamisar las vigas proporcionando refuerzo en barras y aumentando la sección transversal con más concreto. Esta opción presentaba múltiples inconvenientes que la hacían inviable: la losa que llegaba a las vigas no permitía hacer el trabajo de manera adecuada y se requería de una estructura provisional para formaletear, lo que obstaculizaría el acceso al parqueadero por varios días ya que las vigas estaban localizadas exactamente a los lados de la rampa de acceso.

También se pensó en la posibilidad de colocar platinas de acero. Esta opción presentaba inconvenientes por la existencia de la losa como en la solución anteriormente descrita, además de que se atentaría contra la arquitectura del edificio con el agravante de que sus propietarios querían que la reparación pasara desapercibida.

Finalmente se optó por utilizar refuerzos con fibra de carbono. Se realizó el diseño con base en los parámetros mencionados anteriormente en este artículo y se instalaron los refuerzos sobre las vigas, de una manera limpia, rápida, sin inconvenientes para el normal funcionamiento del parqueadero, sin causar molestias a los visitantes, los cuales percibían la reparación como un mantenimiento habitual de acabados, con una buena resistencia estructural y un precio competitivo con las dos soluciones tradicionales, contrario a la creencia general.

tecnología del futuro

La tendencia de la construcción hacia el futuro es la utilización de materiales compuestos de este tipo, que presentan grandes ventajas como: bajo peso, alta resistencia, inmunidad a ataques químicos y corrosión, competitividad económica ante los materiales tradicionales y facilidad de aplicación, entre otros.

En Colombia los mantos de fibra ya vienen siendo usados desde hace varios años pero aún tienen mucho mercado por conquistar, dado que aun se tiene la tendencia a utilizar los materiales tradicionales, muchas veces por desconocimiento de los diseños y ventajas que esta tecnología de punta puede ofrecer.


GLOSARIO

Carbonatación del concreto: reacción química que se produce en el concreto por la presencia de cloruros, provocando desintegración parcial y pérdida de resistencia. Es el equivalente a la corrosión del acero.Volver

Lechada superficial: mezcla de elementos cementosos y agua utilizada para dar uniformidad a las superficies de hormigón. Volver

BIBLIOGRAFÍA
  • Testt report N. 154490-99. EMPA Reseach Center. Switzerland 1994.
  • Stregthening of structures with CFRP strips. W Steiner, Sika AG, Tuffenwies 16-22, CH-8048 Zurich, Switzerland
    Schweizer Baublat N. 64, 1989 Sika AG Zurich.
  • Influence of the stell porperties on the ductility of RC structures. Antonio Grimaldi and Zila Rinaldi. 2000 World conference of earthquake engineering.
  • Estructuras de concreto reforzado. R. Park & T. Paulay - Cap.-6. Editorial Limusa, México 1990.
  • Guías para el Reforzamiento con sistemas de fibras de carbono para estructuras de concreto y madera. Sika – Carbodur. SantaFé de Bogotá. Colombia – Enero 2000.
  • Estudio del comportamiento de vigas reforzadas con fibras de carbono. Ensayos realizados en el laboratorio de estructuras del CISMID para Sika-Perú. 1997.

    Si tiene alguna inquietud con respecto a este tema puede contactar al Ingeniero Álvaro Mejía, Director del Departamento Civil de INDISA S.A.

INDISA S.A OFRECERÁ FORMACIÓN ESPECIALIZADA

INDISA S.A. presenta su ciclo de formación especializada, con seminarios-talleres que serán dictados por expertos en temas como: proyectos de ingeniería, corrosión, gestión energética, ventilación, ruido, estructuras, gestión ambiental, entre muchos otros temas de interés para la industria. Se realizará un seminario-taller cada mes, con una duración aproximada de 4 horas.

Este programa iniciará el 29 de abril con el seminario "PRINCIPIOS BÁSICOS DE DISEÑO Y APLICACIÓN DE SISTEMAS COMPUESTOS DE POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS DE CARBONO"; que contará con la participación del Ingeniero Civil Juan José Betancur, Director Division Especificaciones Degussa CC Colombia S.A, Ingeniero de venta técnica de industria e Infraestructura, distribuidor y aplicador de SIKA durante 7 años, y el Diseñador Estructural Carlos Lleras, miembro y fundador de la ASIES (Asociacion de Ingenieros Estructurales), miembro de ACI COLOMBIA y asesor de Degussa desde 1998.

Lugar: INDISA S.A Carrera 75 No. 48 A- 27
Hora: 8 a.m a 12 m

Las personas interesadas pueden inscribirse con Catalina González en el teléfono 2605533 ext. 149 o en el email mercadeo@indisa.com.co.

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El 14 de mayo INDISA S.A realizará el seminario "Ejecución de Proyectos de Ingeniería", que será dictado por el Ingeniero Mecánico José Fabio Vélez, Master en ciencias de la Universidad de Ohio, Director de Planeación y Mercadeo de INDISA S.A y docente de cátedra de la Universidad Pontificia Bolivariana.

    Lugar: INDISA S.A Carrera 75 No. 48 A- 27
    Hora: 8 a 12 a.m

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