Reforzamiento Estructural de una Viga de Concreto Armado utilizando materiales compuestos de matriz de cemento reforzado con textiles (TRC) Pablo Jhoel Peña Torres Sinopsis: El rol de los materiales compuestos dentro del dominio del reforzamiento de estructuras es indiscutible. Numerosos trabajos de investigación y de aplicaciones prácticas han demostrado la eficacia de como una técnica de rehabilitación de edificios y de obras de arte con el pegado de elementos de reforzamiento exterior funcionan satisfactoriamente. En un comienzo, las placas de acero eran utilizadas como elementos de reforzamiento, pero ellos han sido remplazados progresivamente por los materiales compuestos. La utilización cada vez más frecuente de los materiales compuestos se explica de una parte debido a las propiedades mecánicas de alta performance y de otra parte, por el progreso en los procesos de su fabricación en los últimos decenios. Volviéndose más accesibles en un plano económico, los materiales compuestos son una solución muy atractiva para responder a la necesidad de reforzamiento de edificios y de obras de arte. En este documento se presenta una propuesta de reforzamiento estructural con un material de matriz cementicia cuyo comportamiento mecánico frente a solicitaciones sísmicas tiene ciertas ventajas frente al CFRP. Palabras Clave: Materiales Compuestos, Tipo de Ruptura, Reforzamiento Estructural. 1. Introducción

2. Objetivos

En la industria de los materiales compuestos, el CFRP ha tomado un gran interés por la ventaja de resistencia y peso frente a los métodos convencionales utilizados en el reforzamiento de estructuras. La razón radica en los muy buenos comportamientos que estos materiales son susceptibles a ofrecer notablemente en términos de resistencia y de rigidez especifica. Por otro lado, el proceso de reforzamiento por CFRP es acompañado de limitaciones causada por la tenencia de fuego limitada, de una fuerte incompatibilidad con los criterios de desarrollo durable ligado al empleo del carbono, el CFRP no es un material dúctil y finalmente a causa del costo de la fibra de carbono que puede ser mortal. Esta observación justifica la oportunidad durante el uso de los procedimientos para compensar los inconvenientes antes mencionados, mientras que ofrece un rendimiento de acuerdo con los requisitos de la reparación.

Determinar experimentalmente las características mecánicas del TRC afín de obtener una opción para el remplazo del CFRP.

El TRC es un material compuesto con la ventaja de ser un material de fibra natural no corrosiva cuya ruptura es dúctil y de multi fisuración, que permite liberar energía durante la ruptura. Estas propiedades hacen que el material de construcción TRC sea prometedor y conveniente para una vasta gama de aplicaciones estructurales de revestimiento. Es por esto que es necesario hacer investigaciones sobre este material y conocer mejor las propiedades mecánicas para su mejor utilización y comportamiento.

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3. Estudio Bibliográfico La elección del método de reparación y de los materiales a colocar en obra es definida en función de la naturaleza y de la importancia del problema mostrado, teniendo en cuenta los criterios económicos de los materiales de construcción, las condiciones de construcción y de esfuerzos de sitio. Según los casos estudiados, es necesario hacer intervenir la noción de PROTECCION de la estructura limitando los fenómenos de corrosión, la noción de REPARACION a fin de restituir las características iniciales del elemento, la noción de REFORZAMIENTO teniendo como objetivo mejorar el comportamiento de la estructura frente a condiciones estructurales modificadas o de aumentar el tiempo de vida de la estructura. 3.1 Métodos de Reparación y Reforzamiento Estructural Diferentes tecnologías de reparación y de mantenimiento de obras son normalmente utilizadas desde hace varios años. Dentro de estos trabajos de investigación, nosotros nos estamos interesando en el estudio del

comportamiento mecánico y particularmente en los diferentes mecanismos de resistencia así como en los diferentes modos de ruptura observados en una viga de concreto armado, reforzada por pegado de materiales compuestos y sometida a la flexión.

características del ferrocemento utilizadas en los años 70 y los textil-mortero (TRC) utilizados en nuestros días.

Diferentes tecnologías de reparación y de mantenimiento de construcciones son normalmente utilizadas desde hace varios años. -

Placas pegadas de acero. Adhesión de armaduras complementarias. Reparación por concreto proyectado. Pre esfuerzo adicional Reparación con materiales compuestos.

Existen varios tipos de reforzamiento utilizando materiales compuestos. Los más utilizados son el reforzamiento con fibra de carbono o con fibras de vidrio. Estos métodos permiten tener buena características mecánicas; de compuestos muy ligeros y de adherencia entre interfaces son muy buenas. Esto es debido a una muy buena impregnación del pegamento. Sin embargo su resistencia al fuego no es óptima, el costo es elevado y es contaminante debido al epoxico utilizado para pegar el compuesto a la estructura.

Figura 1. Carga de flexión de un textil reforzado de un elemento de forma U; relación σ − ε a la compresión. 3.3 Comportamiento Mecánico del TRC Existen 2 familias de modelos descritos en los trabajos de investigación, los modelos deterministas del tipo ACK y los modelos semi probabilísticos.

Para paliar los problemas de los materiales compuestos antes mencionados, una nueva técnica de reforzamiento está siendo estudiada en el LGCIE (Lyon - France) utilizando matrices cementicias. Este método de reforzamiento es normalmente llamado TRC. 3.2 Textile Reinforced Concrete (TRC) El TRC es un material compuesto con la ventaja de ser de un material de fibra natural no corrosivo. Los materiales pueden ser producidos bajo forma de placas, paneles o como una estructura enrejada, cada una de estas formas de producción necesita diferentes técnicas de conexión. El término mortero reforzado es asociado a la utilización de mortero de nueva generación. Los morteros han evolucionado en el transcurso de los años 1990 y 2000 mejorando así las características mecánicas de los compuestos de ferrocemento, de donde la utilización de un nuevo termino más moderno “Textil-Mortero” a fin de señalar la enorme distancia que hay entre las

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Figura 2. Comportamiento típico del TRC a esfuerzo unidireccional. El modelo ACK, admite que la curva esfuerzo/deformación del compuesto de matriz frágil es dividida en 3 zonas lineales que están descritas con las siguientes expresiones: Zona I: zona lineal elástica, estado no fisurado, uno considera generalmente una adherencia perfecta entre la matriz y las fibras.

Ec1 = Em .Vm + ηθ .ηl .E f .V f Zona II: zona de transición de esfuerzo constante – comienzo de la fisuración. Las características de liason

entre la fibra y la matriz es el origen de esta degradación. La fisuración comienza desde que el esfuerzo σ mu es alcanzado, esfuerzo correspondiente al esfuerzo último de la matriz.

σ mc =

Ec1.σ mu Em

4.2 Realización de Vigas de Concreto Armado Han sido preparadas 4 vigas con las mismas dimensiones: 2.3 x 0.25 x 0.15 m3 y la misma taza de reforzamiento en las armaduras longitudinales. A continuación se describe los trabajos de elaboración de las vigas de concreto armado: -

Zona III: zona de post – fisuración. Durante esta última etapa ninguna nueva fisura aparece. Las fisuras existentes pueden acentuarse (Bolster, 2007). El fracaso de la matriz es ahora completo y sólo las fibras serán capaces de tomar las fuerzas aplicadas.

-

-

Ec 3 = ηθ 3 .ηl 3 .E f .V f

Preparación de armaduras de acero, Colocación de los strain gage sobre la superficie del acero Vaciado del concreto en el encofrado de la viga, Tratamiento de la superficie de la viga de concreto armado afín de asegurar una buena adherencia entre el concreto y el reforzamiento de materiales compuestos, Colocación del reforzamiento mediante el pegado del material compuesto.

4. Estudio Experimental

4.3 Daño de Vigas

4.1 Modelo Experimental

Para reparar una estructura, es necesaria que previamente sea dañada. En un primer momento dañamos las vigas hasta la obtención de fisuras. Las vigas de concreto armado utilizadas, han sido realizadas de la siguiente manera:

Nosotros hemos adoptado el modelo experimental clásico utilizado en el estudio del comportamiento mecánico de un elemento de construcción solicitado a la flexión en 4 puntos. Las vigas de concreto armado han sido sub dimensionadas a nivel de acero longitudinal.

12 x 7

0.7m

2 Steel rebars φ 8 mm

2 Steel rebars φ 12 mm 3 x 15

0.6m

12 x 7

0.7m

hf 0.25m

28 Shear stirrup φ 6mm

2φ 8 mm 2 φ 12 mm bf 0.15m

Figura 4. Geometría y sección de la viga reforzada 1m

LVDT transducer

Características de los materiales utilizados: Strain gauges on concrete Output strain gauges on steel rebar

Figura 3. Modelo Experimental Se ensayaron 4 vigas: Viga P1 P2 P3 P4

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Configuración 2 Capas de TRC 1 Capa de TRC + Varillas de carbono 3 Capas de TRC No reforzada

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Concreto: fck = 22.7 MPa et Ec = 30 000 MPa. Acero: fyk = 600 MPa et Es = 210 000 MPa. TRC: El reforzamiento con material compuesto tiene un ancho de 145 mm y un espesor de 3.33mm por capa. Para simular un reforzamiento real, la viga es sometida a una carga hasta la fluencia del acero. Esto induce una primera abertura de fisuras. La viga es luego descargada, lo cual tiene por consecuencia el cierre de fisuras bajo el efecto del esfuerzo a tracción en los aceros.

Se ha ensayado 4 vigas con diferentes reforzamientos. El procedimiento experimental es idéntico para los 4 casos de reforzamiento, la viga de referencia es una viga sin reforzamiento.

Figura 5. Fisuración de la viga antes del reforzamiento.

Figura 9. Comparación de las curvas Carga–Flecha de las vigas reparadas. 4.5 Modos de ruptura global observados Figura 6. Comparación de las curvas Carga–Flecha de las vigas dañadas. 4.4 Ensayo de las vigas reforzadas Una vez dañada la viga, colocamos el TRC en las vigas. Esta etapa será llevada hasta la ruptura de la viga reparada.

Figura 7. Carga de la viga reforzada con TRC

Figura 8. Ilustración de las fisuras luego del reforzamiento.

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El análisis de los modos de ruptura permite darse una idea del comportamiento del compuesto y de determinar la eficacia de este. La carga de ruptura permite comparar los resultados teóricos frente a los resultados experimentales. En nuestro caso tenemos lo siguiente: -

2 Capas de TRC (P1) – Ruptura por perdida de adherencia

-

1 Capa de TRC + Varillas de Carbono (P2) – Ruptura del compuesto y el concreto

-

3 Capas de TRC (P3) – Ruptura del Compuesto a tracción (Ruptura del refuerzo).

-

Deformación del concreto

El comportamiento mecánico a la flexión del concreto es sensiblemente reducido.

-

P4 (No reforzada) – Ruptura del Concreto

Figura 11. Grafica Carga - deformación del concreto. 4.7 Variación del eje neutro Como ejemplo colocamos los resultados de la viga P1 con 2 capas de TRC.

4.6 Comportamiento Local de la Estructura. -

Deformación del acero

El compuesto utilizado como refuerzo parece no incidir en el nivel de deformación del acero, como se muestra en la siguiente figura.

Figura 10. Grafica Carga - deformación del acero.

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Figura 12. Grafica Carga – eje neutro de la viga.

El comportamiento del eje neutro muestra un valor constante hasta la carga ELS (Estado Limite de Servicio) es aplicada luego de esto el eje neutro comienza a subir hasta llegar la carga ELU (Estado Limite Ultimo).

4.8 Estudio Analítico

4.7 Espaciamiento de fisuras Luego de ensayar las vigas hasta su ruptura, se obtienen un espaciamiento medio sobre toda la viga y sobre el centro de la viga. Espaciamiento Medio

P1

P2

P3

P4

Todo (cm)

8,43

8,25

7,81

8,53

Centro (cm)

8,41

9,04

8,43

9,42

Figura 14. Grafica comparativa Carga vs. Flecha de las vigas reparadas.

Tabla 1. Espaciamiento medio de la fisuración en la viga Se analiza el parámetro EA para conocer la influencia del aporte de la rigidez del compuesto sobre toda la viga. EA (MN)

Espaciamiento en el centro (cm)

P1 (2 TRC)

1.79

8,41

P2 (1 TRC + Joncs)

1,44

9,04

P3 (3 TRC)

2.68

8,43

P4 (No reforzada)

0,00

9,42

Tabla 2. Espaciamiento medio en el centro de la viga, donde se encuentra el momento máximo.

Figura 15. Grafica comparativa Momento vs. Curvatura de las vigas reparadas. Comparación de flechas

No reforzada (P4) 1 Capa de TRC + Joncs (P2) 2 Capas de TRC (P1)

Figura 13. Grafica EA vs. Espaciamiento medio en el centro de la viga

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3 Capas de TRC (P3)

flecha (mm)

Experimental

Teórica E / T

ELS

8,071

6,24

129%

ELU

31,643

29,72

106%

ELS

8,016

6,27

128%

ELU

25,261

29,87

85%

ELS

6,761

6,28

108%

ELU

23,173

29,91

77%

ELS

9,313

6,30

148%

ELU

27,873

30,01

93%

Comparación de cargas Carga (mm) Experimental Teórica E / T No reforzada (P4) 1 Capa de TRC + Joncs (P2) 2 Capas de TRC (P1)

3 Capas de TRC (P3)

ELS

70,775

79,71

89%

ELU

86,6

80,47

108%

ELS

69,375

83,70

83%

ELU

97,875

97,24

101%

ELS

76,9

84,49

91%

ELU

105,275

103,82

101%

ELS

75,025

86,47

87%

ELU

101,5

115,31

88%

5. Conclusiones • Anteriormente se ha intentado caracterizar el comportamiento del TRC como refuerzo de una viga sometida a la flexión. El resultado de esta caracterización es que el TRC muestra un comportamiento quasi dúctil. o El espaciamiento de fisuras muestra una disminución cuando se produce un aumento de reforzamiento. o La comparación entre las cargas teóricas y experimentales muestran un diferencial positivo para el ELU, salvo en el ensayo de 3 capas de TRC; y muestran un diferencial negativo en todos los casos para el ELS. o La utilización del TRC como alternativa al CFRP para reforzamiento de estructuras parece ser una buena decisión debido a las ventajas mecánicas y medioambientales. • Identificación de modos de ruptura diferentes en una estructura, esto implicaría mejores comportamientos estructurales frente a movimientos sísmicos. • Puesta en evidencia de los potenciales del TRC y de las soluciones hibridas (TRC + Varillas de Carbono) en el contexto de la reparación. • Oportunidad de optimizar estas soluciones basadas en una mejor configuración del material compuesto.

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6. Agradecimientos • Al LGCIE – Site BOHR de la Université Claude Bernard – Lyon (Francia) por haber permitido realizar este trabajo de investigación en sus instalaciones. • A los investigadores que laboran en LGCIE – Site BOHR por su asesoramiento para este proyecto. 7. Bibliografía • PROMIS Geoffey, COMPOSITES FIBRES / MATRICE MINERALE: DU MATERIAU A LA STRUCTURE, Thèse de doctorat, Institut national des sciences appliquées de Lyon, Villeurbanne, France, 2010. • CONTAMINE Raphael, Contribution à l’étude du comportement mécanique de composites TextileMortier. APPLICATION A LA REPARATION ET/OU RENFORCEMENT DE POUTRES EN BETON ARME VIS-A-VIS DE L’EFFORT TRANCHANT, Thèse de doctorat, Institut national des sciences appliquées de Lyon, Villeurbanne, France; 2010. • Jens Hartig, Influence of bond properties on the tensile behaviour of Textile Reinforced Concrete, Institute of Concrete Structures, Technische Universität Dresden, Germany, 2008. • Jens Hartig, A model for Textile Reinforced Concrete under imposed uniaxial deformations, Institute of Concrete Structures, Technische Universität Dresden, Germany, 2011. • Renauld Favre, Jean-Paul Jaccoud, Oliver Burdet, Dimensionnement des Structures en Béton, Ecole Polytechnique fédérale de Lausanne, Lausanne, 1997. • François Frey, Analyse des structures et milieu continus, MECANIQUE DES STRUCTURES, USA, 1969. • Eurocode 2, « Calcul des structures en béton », NF EN 1992-1-1 Octobre 2005 • P. HAMELIN, « AFGC - Réparation et renforcement des structures en béton au moyen des matériaux composites Recommandations provisoires », PH-JUIN 2010.V2 Lima, Abril 2013