FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

MONOGRAFÍA

REFORZAMIENTO DE EDIFICACIONES CON FIBRA DE CARBONO

AUTOR:

CACHA BRITO, OSVALDO MARCELINO

ASESOR:

BRAVO DIAZ, MIGUEL ANGEL

LÍNEA DE INVESTIGACIÓN:

TECNOLOGÍA DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

HUARAZ – PERÚ

2010

Dedicatoria

A mi familia por su comprensión y paciencia.

ÍNDICEINTRODUCCIÓN.............................................................................................................1

1. CAPITULO I: FIBRA DE CARBONO........................................................................2

1.1. HISTORIA DE LA FIBRA DE CARBONO.........................................................2

1.2. DEFINICIÓN DE FIBRA DE CARBONO...........................................................3

1.3. OBTENCIÓN DE LA FIBRA DE CARBONO.....................................................3

1.4. LAS LÁMINAS DE LA FIBRA DE CARBONO..................................................4

1.5. FUNCIÓN DE LA FIBRA DE CARBONO..........................................................5

1.6. APLICACIONES DE LA FIBRA DE CARBONO...............................................5

2. CAPÍTULO II: ESTUDIO DE LA EDIFICACIÓN ORIGINAL.....................................7

2.1. CARACTERÍSTICAS DE LA EDFIFICACIÓN ORIGINAL................................7

2.1.1. CAPACIDAD DE CARGA..........................................................................7

2.1.2. SERVICIABILIDAD....................................................................................7

2.1.3. RIGIDEZ....................................................................................................7

2.1.4. DUCTILIDAD.............................................................................................8

2.1.5. DISIPACIÓN DE ENERGÍA.......................................................................8

2.1.6. AMORTIGUAMIENTO...............................................................................8

2.2. COLUMNAS DE CONCRETO ARMADO.........................................................8

2.3. MUROS DE CONCRETO ARMADO................................................................9

2.4. VIGAS DE CONCRETO ARMADO...................................................................9

2.5. LOSAS DE CONCRETO ARMADO..................................................................9

3. CAPÍTULO III: REFORZAMIENTO CON FIBRA DE CARBONO..........................10

3.1. REFORZAMIENTO EN COLUMNAS DE CONCRETO ARMADO.................10

3.1.1. REFORZAMIENTO CON ENCAMISETADO DE CONCRETO...............10

3.1.2. REFORZAMIENTO CON ENCAMISETADO DE ACERO..............................11

3.1.3. REFORZAMIENTO CON PLANCHAS DE ACERO UNIDAS.........................11

3.1.4. REFORZAMENTO CON FIBRA DE CARBONO............................................12

3.2. REFORZAMIENTO EN MUROS DE CONCRETO ARMADO........................13

3.2.1. REFORZAMIENTO POR AUMENTO DE SECCIÓN...............................13

3.2.2. REORZAMIENTO CON FIBRA DE CARBONO......................................13

3.3. REFORZAMIENTO EN VIGAS DE CONCRETO ARMADO...........................14

3.3.1. REFORZAMIENTO CON CONCRETO ARMADO..................................14

3.3.2. REFORZAMIENTO CON CONCRETO ROCIADO.................................14

3.3.3. REFORZAMIENTO CON PLANCHAS DE ACERO.................................15

3.3.4. REFORZAMIENTO CON BANDAS DE ACERO.....................................15

3.3.5. REFORZAMIENTO CON PRETENSADO EXTERNO....................................16

3.3.6. REFORZAMIENTO CON FIBRA DE CARBONO...........................................16

3.4. REFORZAMIENTO EN LOSAS DE CONCRETO ARMADO..........................17

3.5. REFUERZO ESTRUCTURAL CON FIBRA DE CARBONO EN ALBAÑILERÍA18

3.6. REFUERZO ESTRUCTURAL DE TUNEL CON FIBRA DE CARBONO........18

3.7. REFUERZO ESTRUCTURAL CON FIBRA DE CARBONO PARA PUENTES18

3.8. REFUERZO CON FIBRA DE CARBONO EN VIGAS PRETENSADAS.........19

CONCLUSIONES..........................................................................................................20

BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................................21

Página 4

INTRODUCCIÓN

En la actualidad existen numerosas estructuras que están en la necesidad de alguna rehabilitación o reforzamiento por diversas causas o simplemente por errores en la ejecución de las mismas. En tal sentido la necesidad de reparar o reforzar se ha incrementado significativamente, en respuesta a esto ha surgido nuevas tecnologías de refuerzo que incluyen la utilización de fibras de carbono produciendo un efecto de confinamiento interno, zunchado con tejidos compuestos.

El carbono se obtiene de calentar sucesivamente a altas temperaturas (1500°C) un polímero llamado poliacrilonitrilo. Este proceso de recalentamiento da lugar a la formación de unas cintas perfectamente alineadas de casi carbono puro en su forma de grafito, por ello su nombre de fibras de carbono.

La fibra de carbono es un material altamente resistente el cual se puede emplear para el reforzamiento de columnas, vigas, muros y losas para obtener mayor resistencia; además de ofrecer reforzamiento físico también podemos recatar características como antiexplosivo, anticorrosivos, etc.

Aunque su aplicación en nuestro país es reciente, el uso de esta fibra no es una novedad en el mundo: hace más de 30 años que se viene aplicando en la industria aeroespacial y manufacturera de productos de bajo peso, alta resistencia a la tensión y anti-corrosivos, presentando innumerables ventajas en el campo de la construcción.

1. CAPITULO I: FIBRA DE CARBONO.

1.1. HISTORIA DE LA FIBRA DE CARBONO

En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono en el Centro Técnico de la Union Carbide Parma, ahora GrafTech International Holdings Inc., que se encuentra en las afueras de Cleveland, Ohio. Estas fibras se fabricaban mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Este proceso resultó ser ineficiente, ya que las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono y tenían malas propiedades de fuerza y de rigidez. En la década de 1960, un proceso desarrollado por Akio Shindo de la Agencia de Ciencia Industrial Avanzada y Tecnología de Japón, con poliacrilonitrilo (PAN) como materia prima. Este había producido una fibra de carbono que contiene alrededor del 55% de carbono.

El alto potencial de la fibra de carbono fue aprovechado en 1963 en un proceso desarrollado en el Establecimiento Real de aeronaves en Hampshire, Reino Unido. El proceso fue patentado por el Ministerio de Defensa del Reino Unido y luego autorizada a tres empresas británicas: Rolls-Royce, Morganita y Courtaulds. Estas empresas fueron capaces de establecer instalaciones de producción industrial de fibra de carbono. Rolls-Royce se aprovechó de las propiedades del nuevo material para entrar en el mercado americano con motores para aviones.

Por desgracia, Rolls-Royce empujó el estado de la técnica demasiado lejos, demasiado rápido, en el uso de fibra de carbono en las aspas del compresor del motor de aviones, que resultó ser vulnerables a daños por impacto de aves. Lo que parecía un gran triunfo tecnológico en 1968 se convirtió rápidamente en un desastre. De hecho, los problemas de Rolls-Royce se hizo tan grande que la empresa fue nacionalizada por el gobierno británico en 1971 y la planta de producción de fibra de carbono fue vendida a la forma "Bristol composites".

Dado el limitado mercado para un producto muy caro, de calidad variable, Morganite también decidió que la producción de fibra de carbono era periférica respecto a su negocio principal, dejando Courtaulds como el único fabricante grande del Reino Unido. Esta compañía continuó la fabricación de fibras de carbono, con el desarrollo de dos mercados principales: el aeroespacial y de equipamiento deportivo. La velocidad de la producción y la calidad del producto se han mejorado desde entonces. Durante la década de 1970, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de una brea de petróleo derivadas de la transformación

Página 2

del petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión.

1.2. DEFINICIÓN DE FIBRA DE CARBONO

La fibra de carbono es una fibra sintética constituida por finos filamentos de 5–10 μm de diámetro y compuesto principalmente por carbono. Cada filamento de carbono es la unión de muchas miles de fibras de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se fabrica a partir del poliacrilonitrilo. Tiene propiedades mecánicas similares al acero y es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene mayor resistencia al impacto que el acero.

La principal aplicación es la fabricación de «composites» o materiales compuestos, en la mayoría de los casos aproximadamente un 75% con polímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque también puede asociarse a otros polímeros, como el poliéster o el viniléster.

1.3. OBTENCIÓN DE LA FIBRA DE CARBONO

Las fibras de carbono son los refuerzos más empleados en la fabricación de composites de altas características mecánicas. Se obtienen mediante un proceso de descomposición térmica de tres precursores principalmente (Rayon, PAN, Pitch). De estos tres precursores el más utilizado para la obtención de las fibras de carbono es el poliacrilonotrilo (PAN).

De forma muy resumida el proceso de obtención de fibra de carbono podría esquematizarse en tres etapas fundamentalmente: oxidación bajo tensión a 200-300ºC, carbonización en atmósfera inerte entre 1000-1700ºC y grafitización en atmósfera inerte entre 1700 y 3000ºC.

Las altas características mecánicas de las fibras de carbono son debidas al alto grado de orientación de los cristales a lo largo de los ejes de las fibras. Dependiendo del proceso de fabricación se obtienen fibras de alta resistencia y alargamiento a la rotura o fibras de alto módulo (llamadas fibras de grafito) de gran aplicación en el campo aeroespacial.

Las mejores propiedades de la fibra de carbono son:

- Alta resistencia especifica- Alto módulo específico- Buena resistencia a disolventes orgánicos- Inerte frente a la humedad y los disolventes

Página 3

1.4. LAS LÁMINAS DE LA FIBRA DE CARBONO

En el mercado peruano están disponibles las láminas de fibras de carbono de 0,50 m de espesor por longitud variable, de acuerdo al requerimiento del diseño.

Las fibras de carbono en la lámina vienen alineadas en una sola dirección, dirección en la que se provee la resistencia adicional. Por ejemplo, en el caso del refuerzo de una losa aligerada cuya resistencia se desea aumentar, se disponen tiras de fibras debajo de las viguetas, en el número de capas necesario. En una losa armada en dos sentidos, se pueden disponer franjas en ambas direcciones.

Luego de la adecuada preparación de la superficie del concreto, mencionada en los párrafos anteriores, el proceso de aplicación de un sistema FRP se puede resumir en las siguientes etapas:

Ya preparada la superficie de concreto, se aplica una capa de imprimante epóxico usando un rodillo especial.Usualmente, este primer producto epóxico tiene una baja viscosidad permitiendo su penetración en el concreto. La función de esta primera capa es proveer a la superficie del concreto una adecuada adherencia.

Acto seguido, se aplica una masilla o pasta epóxica para rellenar cualquier defecto en la superficie que pueda quedar mayor de ¼” de profundidad (Cualquier cangrejera o hueco profundo debe ser rellenado con mortero durante la preparación de la superficie de concreto, no en esta etapa).

Luego, se cubre la superficie con un saturante epóxico para impregnar las fibras secas. Este saturante mantiene las fibras en su adecuada dirección y posición. El objetivo de esta capa de saturante es rápidamente empapar las fibras y mantenerlas en su ubicación mientras se inicia el proceso de curado del sistema de reforzamiento. Debido a su alta viscosidad, permite el fácil manejo de la fibra y su correcta aplicación. Este saturante también distribuye los esfuerzos en las fibras y ayuda a protegerlas de las condiciones ambientales y la abrasión.

Se cortan y preparan a medida las láminas de fibras de carbono de acuerdo al diseño del proyecto y se colocan en su lugar, permitiendo que comience a absorber el saturante.

Luego de un tiempo de espera determinado que permite que la lámina absorba la primera capa de saturante, se aplica una segunda capa de saturante para cubrirla.

Finalmente, se aplica una capa de acabado que cubre totalmente el sistema FRP, logrando una apariencia similar a un concreto común.

Página 4

Esta capa también protege a la fibra de los rayos ultravioletas, ataques químicos, abrasión, severas condiciones climáticas, etc.

Es muy importante mencionar que la efectividad de este sistema depende de la pericia y experiencia que debe tener el técnico aplicador para lograr una adecuada adherencia concretofibra, siempre bajo la supervisión de un ingeniero entrenado en este procedimiento.

El manejo adecuado de los tiempos de espera entre una y otra capa, los espesores exactos de las capas, y la presión de aplicación son factores determinantes en la resistencia final del sistema, por lo que no se recomienda su aplicación en manos inexpertas.

1.5. FUNCIÓN DE LA FIBRA DE CARBONO

Se distinguen por sus características específicas elevadas. Las fibras HM tienen un módulo específico 70 veces superior al de las aleaciones de aluminio.

- Tienen un coeficiente de dilatación muy bajo, lo que permite una gran estabilidad dimensional a las estructuras y una conductividad térmica elevadas.

- Alta rigidez específica y gran resistencia.- Tiene una resistencia a la fatiga asombrosa, la más elevada hasta

ahora conocida.- Su resistencia al roce es muy baja, lo que condiciona su

manipulación.- No presenta plasticidad, el límite de rotura coincide con el límite

elástico- Tienen los inconvenientes del coste: la baja resistencia al impacto

de baja energía y las diferencias de potencial que engendran al contacto con los metales, que pueden favorecer corrosiones de tipo galvánico.

1.6. APLICACIONES DE LA FIBRA DE CARBONO

La fibra de carbono se utiliza principalmente para reforzar materiales compuestos, para obtener materiales conocidos como plásticos reforzados con fibra de carbono (PRFC).

Las técnicas utilizadas para materiales poliméricos son: moldeo manual (hand lay up), espreado (spray lay up), pultrusión, bobinado de hilo, compresión, BMC, SMC, SCRIMP, RTM, etc.

Los materiales no poliméricos también se puede utilizar como matriz de las fibras de carbono.

Página 5

Debido a la formación de metal carburos metálicos y corrosión, el fibrocarbono ha tenido un éxito limitado en aplicaciones de compuestos de matriz metálica. El RCC (carbono-carbono reforzado) se compone de refuerzo de fibrocarbono con grafito, y se utiliza estructuralmente en aplicaciones de alta temperatura.

La fibra también tiene uso en la filtración de gases a alta temperatura, como electrodo de gran superficie e impecable resistencia a la corrosión, y como un componente anti-estático.

La demanda global de materiales compuestos de fibra de carbono se valoró en aproximadamente EE.UU. $ 10,8 mil millones de dólares en 2009, el cual disminuyó 10.8% respecto al año anterior.

Se espera que llegue en EE.UU. a 13,2 mil millones de dólares en 2012 y que aumente a 18,6 mil millones de dólares en EE.UU. en 2015 con una tasa de crecimiento anual del 7% o más. Las demandas más fuertes provienen de las industrias aeronáutica y aeroespacial, de la energía eólica, así como de la industria automotriz.

Página 6

2. CAPÍTULO II: ESTUDIO DE LA EDIFICACIÓN ORIGINAL

2.1. CARACTERÍSTICAS DE LA EDFIFICACIÓN ORIGINAL

El reforzamiento está dirigido a incrementar la capacidad de carga y el estado de servicio de una estructura existente. Esto se vuelve necesario cuando los diseños estándares son adaptados para cubrir nuevas solicitaciones o cuando existen errores en el diseño o inadecuada mano de obra en la etapa de construcción.

Los métodos de reforzamiento pueden causar cambios en la rigidez, capacidad de carga, ductilidad y propiedades de amortiguamiento de los edificios. Es necesario que estas propiedades deben estudiarse antes de hacer un reforzamiento con fibra de carbono.Entre las más importantes tenemos:

2.1.1. CAPACIDAD DE CARGA

Los estados límites, son aquellos en los cuales en conexión con el colapso u otras formas de falla de una estructura, pueden poner en peligro la vida de las personas. Como una regla, las carga teóricas son determinadas de acuerdo a las cargas de riesgo sísmico.

2.1.2. SERVICIABILIDAD

Los estados límites de serviciabilidad son aquellos en los cuales, cuando son excedidos, sobrepasan las condiciones de servicio estipuladas. Esto incluye:

Deformación permanente, el cual modifica la apariencia o el uso de la estructura y el daño a las instalaciones.

Fisuras, que pueden modificar la apariencia, durabilidad y fugas de agua.

Como una regla, el estado de la serviciabilidad está basado en un pequeño sismo, para brindar costos de reparación en el caso de sismos frecuentes.

2.1.3. RIGIDEZ

La distribución de cargas a los componentes individuales de un sistema es proporcional a la rigidez de cada componente. Cuando se busca y diseña un método de reforzamiento, la rigidez del componente a ser reforzado y los componentes no reforzados

Página 7

deben ser comparados. Una redistribución de cargas no debe crear nuevos puntos débiles en la estructura.

2.1.4. DUCTILIDAD

Es la capacidad de la estructura a deformarse bajo la deformación plástica. Bajo cargas fuertes, la deformación inelástica ocurre cuando se permite que las fuerzas de la sección se distribuyan en otras áreas de la estructura.

2.1.5. DISIPACIÓN DE ENERGÍA

Es la capacidad de un material a absorber energía kinética (conversión al calor). La capacidad dúctil bajo una carga alternativa es decisiva para esta carga sísmica.

2.1.6. AMORTIGUAMIENTO

El específico reforzamiento de componentes o la instalación de componentes de amortiguamiento pueden incrementar considerablemente el amortiguamiento de las estructuras.

2.2. COLUMNAS DE CONCRETO ARMADO

La falla de columnas individuales bajo cargas sísmicas es frecuentemente debido a un inadecuado diseño. Cuando las columnas de concreto armado muestran deterioro en su superficie y las varillas son visibles, este tipo de fallas pudo haberse causado debido a insuficiente estribos, insuficiente anclaje, y el acero está ubicado en áreas críticas de la columna.

El daño a las columnas puede frecuentemente causar que pisos o incluso estructuras puedan colapsar. Esto es particularmente cierto cuando un piso no es lo suficientemente rígido y las fuerzas horizontales solo se transmiten a la cimentación a través de las columnas.

Generalmente ocurre la denominada falla por corte de las llamadas columnas cortas. Estas son columnas que son impedidas de su libre movimiento y soportan la fuerza cortante en la parte libre de esta.

Página 8

2.3. MUROS DE CONCRETO ARMADO

La fibra de carbono es también muy utilizada en muros de hormigón solucionando la necesidad de refuerzo que se derivan de cargas excesivas en plano o fuera de plano y la presión debida a impactos.

En este caso se hablara del sistema constructivo de muros de concreto armado de 10cm de espesor. Este sistema permite la construcción de muros de concreto armado mediante el uso de encofrados modulados, sean estos metálicos o de madera.

Cuyas medidas típicas son 2.40m x 0.60m x 0.10m. Dependiendo del encofrado que se utilice como unidad básica, las medidas pueden variar. Además este es reforzado con una malla de acero de 3/8” electro soldada.

2.4. VIGAS DE CONCRETO ARMADO

En varios casos, el daño a las vigas, nudos, etc., y soportes no es causado por falla en el diseño o en el trabajo de ejecución. Estos elementos estructurales son usualmente dañados por la falla o deformación de otros elementos estructurales del edificio. Como por ejemplo las placas, columnas, etc.

2.5. LOSAS DE CONCRETO ARMADO

Las losas de concreto armado pueden ser de varios tipos, principalmente:

Losa sólida:Está formada sólo por concreto y acero.

Losa aligerada y losa nervada o reticular:Está formada por concreto y acero en sus secciones estructurales, pero también por aligerantes: barroblock, casetones, poliuretano, etc.

Losa con elementos prefabricados:Está formada por elementos de concreto armado y aligerantes que fueron construidos antes de llegar a la obra.Ejemplo: Vigueta y bovedilla, Hebel, etc.

Página 9

3. CAPÍTULO III: REFORZAMIENTO CON FIBRA DE CARBONO

3.1. REFORZAMIENTO EN COLUMNAS DE CONCRETO ARMADO

3.1.1. REFORZAMIENTO CON ENCAMISETADO DE CONCRETO

Las columnas pueden ser reforzadas con concreto encofrado o con concreto proyectado y refuerzo adicional. El reforzamiento con concreto encofrado tiene la ventaja que el trabajo puede ser realizado con poco ruido y el área circundante puede seguir siendo utilizado durante el proceso de reforzamiento.

La desventaja de este tipo de reforzamiento es la gran cantidad de trabajo necesario para el encofrado y el problemático proceso de compactado.

La ventaja del concreto proyectado es en particular su gran versatilidad para los diferentes tipos de reforzamientos de elementos de una estructura y el rápido progreso una vez que el equipo está instalado.

El gran equipo y la necesaria experiencia del operador, quien tiene una gran influencia en la calidad del trabajo, son las desventajas de este procedimiento. Otra desventaja del concreto proyectado es que es ruidoso y un poco sucio.

Debido a la versatilidad del concreto armado en el reforzamiento de estructuras es un procedimiento frecuentemente utilizado. El alto rango de su uso es debido a la posibilidad de variación en los materiales del concreto (agregados y aditivos) y su aplicación a diferentes superficies.

El reforzamiento adicional requerido para un elemento de una estructura toma fuerzas adicionales de tensión y cortante.Los agujeros necesarios para el anclaje son realizados utilizando martillos rotatorios o martillos combinados.

Donde el refuerzo es ubicado muy cerca, como es frecuentemente el caso en columnas, máquinas perforadoras especiales son utilizadas para cortar a través del acero.

Página 10

El agujero de anclaje es llenado con adhesivo y el refuerzo de acero colocado en él. En varios casos, la buena adhesión entre el elemento existente y el refuerzo es importante. Por esta razón, una gran importancia se le debe dar a la preparación de la superficie. Es también importante la conexión del refuerzo en la cimentación y la estructura para asegurar una óptima transmisión de fuerzas.Los elementos de la estructura primero deben ser limpiados de polvo y pedazos sueltos. Las varillas de acero dañadas deber ser reemplazadas.

El acero de refuerzo debe estar libre de aceite y pintura. Un agente primario se debe aplicar para asegurar una buena adherencia entre el antiguo y el nuevo concreto. Usualmente es utilizada pasta de cemento, productos de resina sintéticos, etc. El uso de anclaje adicional de acero mejora la transmisión de fuerzas cortantes.

3.1.2. REFORZAMIENTO CON ENCAMISETADO DE ACERO

En muchos casos, las columnas son encajonadas en un encamisetado de acero. El cual es de aproximadamente 5 mm de espesor, el mismo que debe ser soldado longitudinalmente en el sitio. El espacio de 2 a 3 cm que queda entre el concreto y el encamisetado de acero es rellenado con grout de alta resistencia.

Con columnas rectangulares en particular, el anclaje de encamisetado en el concreto es utilizado como sustitución del estribo.

Normalmente, los conectores son utilizados para transmitir los momentos de la cimentación a la estructura.

Una buena adherencia se logra eliminando las aristas y todo el concreto dañado del núcleo de la columna original. Luego se debe escarificar la superficie de concreto viejo, tanto de la columna como de la viga y/o losa.

La superficie debe de estar seca antes de aplicar el conector de adherencia, adhesivo de base epóxica, antes de vaciar el concreto fluido.

3.1.3. REFORZAMIENTO CON PLANCHAS DE ACERO UNIDAS

Las columnas de concreto armado pueden ser reforzadas utilizando bandas de acero unidas o encamisetado con planchas completas de acero.

Página 11

Los cuales no deben ser usados en situaciones de temperaturas elevadas. (> 55° C.)

Para una buena adherencia se escarificar la cara de concreto, formando una superficie plana y rugosa, si fuera necesario se rellenara las cavidades.Los componentes de acero son soldados juntos y unidos al elemento utilizando conectores o anclajes. Las planchas de acero deben ser preparadas con chorro de arena o lijado eléctrico.

El encamisetado de acero es adherido con un doble componente adhesivo de resina – epóxica o un doble componente adhesivo de resina – epóxica es inyectado después.

Este tipo de reforzamiento con planchas de acero es utilizado para reforzar o reparar columnas mientras los ambientes están en uso, debido a que el trabajo causa menos ruido y desperdicios.

3.1.4. REFORZAMENTO CON FIBRA DE CARBONO

El refuerzo estructural con fibra de carbono en columnas o pilares de hormigón armado permite dotar al elemento de mayor rigidez y capacidad mediante el confinamiento. Los efectos del confinamiento del hormigón han sido extensivamente investigados en el pasado, y en la actualidad se entiende relativamente el resultante incremento en resistencia y ductilidad. En la práctica, el confinamiento del hormigón en un miembro estructural es proporcionado comúnmente por el refuerzo transversal en forma de zunchos o espirales.

En la actualidad, existen numerosas estructuras que están en la necesidad de alguna rehabilitación o reforzamiento por diversas causas, o simplemente por errores en la ejecución de la misma. En el caso de los pilares de puentes construidos en el pasado pueden tener la urgente necesidad de ser actualizados debido a las exigencias más rigurosas de los nuevos códigos sísmicos. En tal sentido, la necesidad de reparar o reforzar se ha incrementado significativamente.

En respuesta a esto, han surgido nuevas tecnologías e refuerzo que incluyen la utilización de fibras d carbono, produciendo un efecto de confinamiento interno, zunchado con tejidos compuestos, normalmente con polímeros reforzados con fibras (FRP).En realidad, todo material que pueda proporcionar una restricción lateral (confinamiento) suficiente puede ser usado para contener o demorar la rotura instantánea del hormigón. Básicamente, el confinamiento restringe la fisuración por compresión y cortante,

Página 12

aumentando así la ductilidad del elemento estructural durante la rotura.

Al respecto, en años recientes se ha incrementado el uso de los polímeros reforzados con fibra (FRP) como elemento de confinamiento, debido a sus excelentes propiedades mecánicas y químicas de estos materiales. Algunos investigadores han mostrado que el confinamiento con FRP mejora el comportamiento de columnas sometidas a carga sísmica, y se han aplicado eficientemente en la rehabilitación sísmica de pilares de puentes en USA, Japón.

3.2. REFORZAMIENTO EN MUROS DE CONCRETO ARMADO

3.2.1. REFORZAMIENTO POR AUMENTO DE SECCIÓN

Los muros de concreto armado, también llamados placas son frecuentemente reforzados aplicándoles una capa es su superficie formado de concreto proyectado.

La transferencia de fuerzas cortantes puede ser transmitida por medio de anclajes, los cuales son embebidos en el concreto o fijados en el acero existente.

Para una adecuada adherencia se debe escarificar la superficie usando chorro de arena, eliminar la nata de cemento superficial del concreto, para de esta manera lograr una buena superficie de adherencia.

El sustrato debe estar saturado y con la superficie seca, sin encarchamiento. Las características del concreto a emplear las proporciona el diseñador de la mezcla.

El espesor del nuevo concreto variara para satisfacer los requerimientos del diseño. El reforzamiento de placas con postensado externo, es también posible.

3.2.2. REORZAMIENTO CON FIBRA DE CARBONO

La fibra de carbono es también muy utilizada en muros de hormigón solucionando la necesidad de refuerzo que se derivan de cargas excesivas en plano o fuera de plano y la presión debida a impactos.

Página 13

Así puede utilizarse en los muros con esfuerzo cortante, en los tanques, trincheras y canaletas, y en los fosos de ascensores. Sirven igualmente, para estructuras industriales expuestas a cargas por explosiones y para mejoras antisísmicas.

Las ventajas de refuerzo estructural con fibra de carbono en muros:

- Incrementar reforzamiento sísmico- Incrementar ductilidad del muro- Mejorar comportamiento general- Reemplazar armaduras cortadas debido a perforaciones en los muros.

3.3. REFORZAMIENTO EN VIGAS DE CONCRETO ARMADO

3.3.1. REFORZAMIENTO CON CONCRETO ARMADO

Las vigas de concreto armado pueden ser reforzadas dándoles un recubrimiento adicional de concreto, el cual debe estar de acuerdo al diseño. Se colocan nuevos estribos fijados con expansor de anclaje de base poliéster.

El acero longitudinal debe estar embebido en concreto y anclada a las columnas.

El concreto compactado debe ser colocado cuidadosamente para asegurar que no existan fallas y que no existan puntos débiles. Se debe vaciar por un solo lado de la viga hasta que aparezca del otro lado, evitándose la formación de bolsas de aire.

Además, se debe utilizar vibradores para una adecuada compactación.

La transmisión de esfuerzos se puede lograr adecuadamente con el uso de aditivos.

3.3.2. REFORZAMIENTO CON CONCRETO ROCIADO

En general, cuando las vigas de concreto armado son reforzadas con concreto rociado, el refuerzo adicional también es necesario.

Este refuerzo adicional debe ser anclado en el elemento estructural existente lo cual se logra perforando la viga existente y fijándolo con expansor de anclaje de base poliéster.

Página 14

Para luego colocar el nuevo acero longitudinal distanciado del existente con separadores. Las puntas del acero longitudinal se deben anclar a las columnas con expansor de anclaje de base poliéster, con una longitud de anclaje según el proyecto.La superficie de concreto debe ser preparada en pendiente y escarificada. Para lograr una adecuada adherencia se debe aplicar un conector de adherencia formado por un adhesivo de base epóxica de baja viscosidad directamente al sustrato seco.

El concreto fluido se debe vaciar con un especial cuidado respetando su tiempo de manipulación, secado y curado, y debe ser colocado sin interrupción por un solo lado.

3.3.3. REFORZAMIENTO CON PLANCHAS DE ACERO

Como con los pisos de concreto armado, el reforzamiento de vigas de concreto armado puede ser con refuerzo adherido.

En particular, las ventajas de este método de reforzamiento son lano-modificación de la altura de piso a techo, el poco ruido y suciedad causada.

Se debe eliminar los revestimientos de pintura y resane del mortero, lijar la superficie del concreto, para de esta manera lograr una superficie plana y rugosa.

Antes de colocar el puente de adherencia la superficie debe de limpiarse con aire comprimido o acetona y debe estar seca. Las planchas de acero deben ser preparadas con chorro de arena o lijamiento metálico y deben limpiadas y secadas con chorro de aire comprimido. Las planchas son fijadas a la viga con tornillos y tuercas, los cuales son embebidos en la viga con expansor de anclaje de base poliéster.

Este tipo de reforzamiento no debe ser utilizado en temperaturas muy elevadas.

La aplicación del acero requiere solo una pequeña cantidad de perforaciones para el anclaje en la viga existente, lo cual es una ventaja, debido a que usualmente estas tienen las varillas de acero muy juntas.

3.3.4. REFORZAMIENTO CON BANDAS DE ACERO

Este método es muy conveniente cuando no se desea interrumpir el funcionamiento de la estructura.

Página 15

La superficie debe estar libre de revestimiento de pintura y tarrajeo. Se debe tener una superficie plana y rugosa. Las bandas de acero son fijadas a la viga con tornillos y tuercas, los cuales son embebidos en la viga con expansor de anclaje de base poliéster. Las bandas deben ser presionadas fuertemente con la ayuda de las tuercas, respetando su tiempo de manipulación y secado.

El espesor del adhesivo debe ser uniforme a lo largo de todo el refuerzo. Las bandas de acero se adhieren a la estructura por medio de pernos. Los cuales se requieren para transmitir las fuerzas de corte de la viga a la losa en compresión, según sea el caso.

Se utilizan sistemas de anclajes con adhesivos. Es importante que los pernos de anclaje tengan una adecuada resistencia a la corrosión.

3.3.5. REFORZAMIENTO CON PRETENSADO EXTERNO

El reforzamiento o reparación correctiva de vigas de concreto armado puede ser llevado a cabo utilizando un pretensado longitudinal o transversal.

El pretensado longitudinal es usualmente utilizado en los elementos de la parte exterior de la estructura. Esto elimina el costoso trabajo de instalación de un tensionado en la parte interna.

Las medidas de protección contra la corrosión deben ser muy cuidadosas en los elementos postensores, ya que de ellos depende el reforzamiento.

El tensionado transversal de vigas de concreto armado conlleva a una gran cantidad de perforaciones debido al gran número de estribos a ser tensionados.

3.3.6. REFORZAMIENTO CON FIBRA DE CARBONO

Al aplicarse en vigas, el sistema FRP incrementa sensitivamente la capacidad de resistencia a la flexión y al corte en estos elementos.

La resistencia adicional es tal, que una viga agrietada por las cargas a las que ha sido sometida, reforzada de extremo a extremo posteriormente con este sistema, puede llegar a superar su capacidad de carga adicional.

Página 16

Al aplicar este sistema en la cara del fondo de la viga, en su longitud, incrementamos su resistencia a la flexión, controlando mejor su deflexión, mientras que si se aplica en las caras laterales, incrementamos su resistencia al corte.

En vigas de hormigón se puede incrementar las cargas admisibles incorporando un refuerzo estructural con fibra de carbono.

Para estos casos el uso del refuerzo estructural con fibra de carbono permite:

- Incrementar la resistencia a los esfuerzos de flexión.- Incrementar la resistencia a los esfuerzos de corte.- Recuperar resistencia de diseño por omisión de armadura.- Incrementar la rigidez de la viga produciendo menor deformación bajo cargas vivas.- Incremento de la vida útil de la viga por la reducción de la sección fisurada, lo que además incrementa la resistencia a la corrosión.- Mantiene las dimensiones originales de la viga.- Menor costo asociado al proyecto de refuerzo completo comparado con una solución alternativa.

3.4. REFORZAMIENTO EN LOSAS DE CONCRETO ARMADO

El refuerzo estructural con FRP es muy eficaz en la reparación y el fortalecimiento de las losas y cubiertas. Debido a que la capacidad del momento de la losa o cubierta se debe a la combinación resultante de la resistencia a la tracción y compresión.

En la mayoría de los casos, la cubierta o losa tiene suficiente resistencia a la compresión y solo requiere refuerzo estructural en el momento positivo. Entre las ventajas más importantes para el refuerzo estructural con fibra de carbono de las losas encontramos las siguientes:

- Aumento de Resistencia a la flexión de tanto de positivos como negativos.

- Aumento de rigidez la losa y la reducción de las deformaciones producto de las cargas de servicio.

- Reducción de la sección fisurada para una mayor durabilidad.- Aplicación de una fracción del refuerzo estructural en la superficie

de la losa puede ser suficiente para el fortalecimiento de toda la losa.

- Una vez reforzada la losa mantiene las dimensiones originales.- Costo menor al de cualquier solución alternativa.

Página 17

3.5. REFUERZO ESTRUCTURAL CON FIBRA DE CARBONO EN ALBAÑILERÍA

El refuerzo estructural con fibra de carbono en albañilerías contribuye al incremento de la resistencia de muros de albañilería o mampostería (ladrillos).

La aplicación de la fibra de carbono en estos muros incrementa la vida útil de la estructura minimizando en gran medida las grietas o fisuras que puedan aparecer.

Generalmente el uso de este tipo de tecnología en estructuras de albañilería es viable económicamente en edificios con alto valor patrimonial y cultural el cual debe ser preservado por gran cantidad de tiempo mediante la rehabilitación con fibra de carbono.

En el mundo se han realizado diversos estudios para el uso refuerzo estructural de fibra de carbono en albañilerías encontrando grandes beneficios al respecto.

3.6. REFUERZO ESTRUCTURAL DE TUNEL CON FIBRA DE CARBONO

El refuerzo estructural de túneles con fibra de carbono, puede ser aplicado en cualquier tipo de túneles, ya sea para reparación estructural o rehabilitación estructural.

En tuberías y túneles se satisfacen las necesidades de refuerzo para cargas laterales y de flexión, así como los refuerzos en el perímetro, los que pueden ser incrementados mediante el uso de fibra de carbono, la gran ventaja del uso de fibras de carbono en el reforzamiento de túneles viene dada por la rapidez con la que puede ser aplicada la solución refuerzo estructural. Esto es un aspecto muy importante en túneles mineros como túneles viales, donde el tiempo de uso tiene un elevado costo.

3.7. REFUERZO ESTRUCTURAL CON FIBRA DE CARBONO PARA PUENTES

Se define como refuerzo estructural a la modificación de una estructura, no necesariamente dañada, con el propósito de aumentar su capacidad portante en relación a las condiciones iniciales.

Página 18

La necesidad de refuerzo en un puente o viaducto puede venir motivada por diversas causas: un cambio de uso con un aumento de las solicitaciones previstas en el proyecto original, una disminución de la capacidad resistente provocada por la degradación de los materiales o por una acción de tipo accidental, errores de proyecto o de ejecución que no permiten garantizar la seguridad frente a las solicitaciones previstas.

Las razones del refuerzo pueden deberse a diversos factores como:

- Corrosión de las armaduras.- Corrosión de los cables de pretensado.- Incremento de las cargas de tráfico.- Defectos de proyecto.- Cambios de normativa y especificaciones.- Fisuración excesiva del hormigón.- Prevención de daños por movimientos sísmicos

3.8. REFUERZO CON FIBRA DE CARBONO EN VIGAS PRETENSADAS

El refuerzo estructural con fibra de carbono de una viga pretensada o postensada es una solución muy utilizada en el caso donde se requiere realizar un incremento de carga o reparar una viga producto de algún impacto que resulto en el corte de los cables de pre y postensado además del corte de la armadura de corte.

Mediante el uso de fibras de carbono utilizadas para restituir los cables de acero cortado, es posible devolver a la viga su capacidad resistente o incluso incrementarla. El diseño y aplicación de la solución de reforzamiento estructura con fibra de carbono para vigas pretensadas puede ser implementado en un breve tiempo minimizando el tiempo de interrupción de tránsito o procesos productivos de industrias o faenas mineras.

Página 19

CONCLUSIONES

- La fibra de carbono es uno de los mejores compuestos para poder reforzar estructuras complejamente difíciles de reparar y este método si bien incide en la visión que se tiene sobre un proyecto puede ser la mejor opción para estructurar edificios. Ya que no provoca un gran cambio en el proyecto existente y dota incluso el triple de esfuerzos de tensión comparado con el acero.

- A medida que transcurren los años es mucho más rentable comenzar a producir estas nuevas tecnologías lo que queda demostrada con el aumento exponencial de la demanda de la fibra de carbono en las grandes empresas.

- Como hemos podido observar, las aplicaciones de este sistema son tantas como las necesidades de reforzamiento de una estructura. Y en el campo del reforzamiento estructural, en un País altamente sísmico como el nuestro y con muchas edificaciones que han sido construidas por mano de obra sin experiencia, con escasa dirección técnica y sin respeto alguno de normas o reglamentos, como profesionales debemos estar atentos al uso de estas nuevas tecnologías que nos simplifican la vida con una buena relación beneficio-costo en comparación a los métodos tradicionales.

Página 20

BIBLIOGRAFÍA

- “Nuevas tecnologías de reforzamiento del hormigón”. Daniela Díaz Andrés Hernández.

- “Polímeros reforzados con fibras”. Javiera Balut, Sarah Devetak, Daniela Hernández, Camilo López.

- “Polímeros reforzados con fibra”. Pamela Espinoza, Ivan Maureira, Christian Soria.

- http://www.elese.cl/aplicaciones-especificas.html

- http://www.sportgeek.es/2012/09/19/compuestos-de-carbono/

- REPARACIÓN Y REFORZAMIENTO DE UN MURO DE ALBAÑILERÍA CONFINADA MEDIANTE FIBRA DE CARBONOPor: Ángel San Bartolomé y Cristhian CoronelPONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ

Página 21