Analisis experimental de concreto confinado con fibras de carbono

Volumen 8, número especial

Investigación Inv Inve s ig st i ac aciió ión ón

abril 2014, issn 1870 –8196

CIENTIFICA CIENT CIENTI IFICA FICA

Análisis experimental de elementos de concreto confinado

con fibras de carbono Sika

María de Lourdes Oliván Tiscareño José Luis Echavarría Santiago Angel Rivera Flores Hiram Badillo Almaraz Raúl Barrón Corvera Manuel Gómez Corvera Universidad Autónoma de Zacatecas

lolivant@hotmail.com

2

Investigación

CIENTIFICA

Resumen

Introducción

Por diversas razones, los elementos estructurales requieren ser reforzados o rehabilitados para que recuperen resistencia y ductilidad. En solicitaciones sísmicas y aumento en la capacidad de deformación y disipación de energía, los métodos de reforzamiento se realizan con materiales tradicionales, encamisados con concreto o acero. Actualmente, los encamisados se pueden realizar mediante polímeros reforzados de fibra de carbono.

En ese sentido, el objetivo de este trabajo es exponer los resultados de una campaña experimental orientada a construir elementos de concreto reforzados con fibras, a partir de las propiedades básicas de sus elementos, así como la integración de materiales compuestos formados por morteros de cemento y fibras de carbono. A su vez, los propósitos de la campaña fueron varios: observar si las propiedades mecánicas son superiores a los materiales tradicionales, revisar las ventajas con relación a resistencia–peso y rigidez–peso, cuantificar la magnitud del refuerzo que ofrecen esos materiales y evaluar estrategias de colocación, longitudes de traslape, ventajas y desventajas de su aplicación.

Los resultados conseguidos pretenden contribuir en el conocimiento y la aplicación de nuevos materiales que permitan el uso de las fibras de carbono como una solución potencial en el reforzamiento de estructuras de ingeniería civil en México.

Los datos se compararon con aproximaciones definidas en códigos de diseño de otros países. Cabe destacar que la observación del comportamiento mecánico de los elementos reforzados brinda mayor conocimiento sobre los procedimientos de aplicación, también facilita corroborar disposiciones técnicas y medir el comportamiento mecánico del conjunto concreto de fibras.

Por sus características positivas, el material que predomina en la construcción de obras de ingeniería civil es el concreto: no requiere una mano de obra especializada, tiene la capacidad de adoptar cualquier forma según el molde que lo contiene, es resistente al fuego y a la corrosión, su fabricación es fácil y puede realizarse in situ o de manera prefabricada, no necesita grandes inversiones para su mantenimiento, los materiales que lo conforman son accesibles y ha permitido en el último siglo el avance en nuevos sistemas constructivos al formar la gran infraestructura del mundo moderno.

No obstante, desde el punto de vista de su composición es un material totalmente heterogéneo, dada la diferente naturaleza de sus partes y a su distinta rigidez. La pasta cementante, los agregados pétreos y el agua se integran en una mezcla en la que la relación agua–cemento define propiedades importantes en el concreto, tal es el caso de la resistencia. Un fenómeno inherente es la presencia de fisuras, característica relevante en el estudio del comportamiento mecánico bajo un sistema de carga. Es preciso mencionar que el concreto posee además una gran capacidad de resistir fuerzas de compresión, aunque su resistencia a fuerzas de tensión es baja (aproximadamente sólo el 10 por ciento de la resistencia a compresión). Las fuerzas de tensión causan agrietamiento pronunciado en puntos donde se concentran los esfuerzos en el material y constituyen una de las problemáticas a resolver.

Conforme al comportamiento mecánico, la función del concreto es resistir los esfuerzos de compresión inducidos en los elementos estructurales bajo las acciones de diseño. En elementos estructurales es necesario colocar refuerzo en las zonas donde se prevé que se desarrollarán tensiones bajo las cargas de servicio. No obstante, el refuerzo también se emplea en zonas de compresión para incrementar la resistencia del elemento, reducir las deformaciones debidas a cargas de larga duración y proporcionar confinamiento lateral al concreto, lo que indirectamente aumenta su resistencia a la compresión. Por lo general, el refuerzo se hace me-

Palabras clave: confinamiento, esfuerzo axial, fibras de carbono.

Volumen 8, número especial

diante barras de acero colocadas de forma longitudinal y transversal, lo que da como resultado el concreto reforzado.

La hipótesis central es la adherencia entre la masa de concreto y el material de refuerzo que posibilite una transferencia de esfuerzos correcta, como un solo material. El refuerzo transversal que rodea al núcleo de una sección le proporciona confinamiento al concreto, éste no se produce cuando no se cumple con las separaciones de estribos de acero indicadas. Diversos estudios experimentales (Chan, 1955; Blume et al., 1961; Roy y Sozen, 1964; Soliman y Yu, 1967; Sargin et al., 1971; Kend y Park, 1971; Mander et al., 1988) muestran que el comportamiento del concreto es más dúctil y las deformaciones se elevan en función de un buen confinamiento, el cual mejora el desempeño de un elemento, provoca un aumento en su resistencia y retarda la presencia de micro fisuras causadas por compresión. Estos incrementos en los niveles de carga y de deformación antes de que se origine la falla son de gran importancia en estructuras sujetas a riesgo sísmico, en las que se manifiestan altos niveles de deformación por las cargas de tipo cíclico que generan degradación de la rigidez.

El confinamiento inicia cuando los niveles de esfuerzos de compresión en el concreto se aproximan a su resistencia máxima, mientras que las deformaciones transversales de la sección se incrementan gracias al agrietamiento interno progresivo. En consecuencia, el concreto se apoya contra el refuerzo transversal, que induce a su vez una fuerza de confinamiento sobre el concreto, lo que eleva su resistencia a compresión y disminuye las deformaciones transversales. Además, el confinamiento del concreto presenta múltiples aplicaciones, en especial si se trata de reparar, rehabilitar o readecuar estructuras que han sufrido deterioro por el uso y el paso del tiempo; en otros casos, a pesar de no tener tales deterioros, precisan ser actualizadas para satisfacer los requerimientos de nuevos reglamentos de construcción (Guerrero, 2011).

Los métodos de reforzamiento pueden llevarse a cabo mediante encamisados de concreto, de acero, o con el uso de materiales compuestos, como los polímeros reforzados con fibras (frp)

abril 2014, issn 1870 –8196

3

que usualmente son de carbono. La ventaja de las fibras de carbono es su versatilidad, pues pueden emplearse en columnas cuadradas y circulares, no necesitan soldadura ni cimbra, su peso es bajo, su aplicación es fácil y son resistentes; además de la eficiencia en la mano de obra y el tiempo de colocación (Parrilla, 2011).

El empleo de otros materiales para el refuerzo (fibras de vidrio, de aramida o de carbono) tiene antecedentes en Canadá, Estados Unidos y Japón, donde se han concebido obras con fibras como refuerzo principal. En México, sin embargo, el uso de estos nuevos elementos es reducido: se utilizan para reforzar o rehabilitar estructuras existentes, más no como un sustituto del refuerzo con barras de acero. Una de las razones por las que no es tan accesible es su alto costo. Asimismo, es un tema que aún se encuentra en desarrollo, por lo que no se dispone de reglamentos nacionales que regulen su uso y sólo se puede acudir a referencias extranjeras cuyas disposiciones teóricas no han sido validadas experimentalmente. Por ello, las especificaciones que sustentan este trabajo provienen de centros de investigación internacionales, como la guía de diseño del Instituto Americano del Concreto aci–440–2r. Si bien algunas empresas fabricantes plantean recomendaciones sobre el diseño (tal es el caso de ©Sika Mexicana s.a. de c.v.) sus formulaciones son conservadoras, lo que propicia la poca optimización de los materiales y el incremento en los costos.

De ahí que el estudio de los materiales compuestos de fibras represente una línea de investigación que puede contribuir a aportar criterios para un uso óptimo de las fibras con el menor costo; aparte de crear estrategias para su aplicación, contextualizar pruebas con materiales cementantes del país y determinar las propiedades mecánicas y físicas de las estructuras de concreto reforzadas con fibras.

Al respecto, el propósito de este documento es dar a conocer los resultados de una investigación que construyó elementos de concreto reforzados con fibras, a partir de las propiedades básicas de sus componentes y a la integración de materiales formados por morteros de cemento y fibras, en particular de carbono. De acuerdo con la información

4

Investigación

CIENTIFICA

técnica de las fibras de carbono, se prevé que su aplicación en los elementos de concreto mejore su resistencia y así poder establecer si las propiedades mecánicas son superiores a los materiales tradicionales. También se pretende evaluar los beneficios en torno a resistencia–peso y rigidez–peso, cuantificar la magnitud del refuerzo de dichos materiales, idear estrategias de colocación, verificar longitudes de traslape y considerar ventajas y desventajas en su aplicación. Los resultados alcanzados intentan aportar de modo significativo al conocimiento y la aplicación de nuevos materiales, que permitan el uso de las fibras de carbono como una solución potencial en el reforzamiento de estructuras de ingeniería civil en el país.

La primera etapa de la investigación obtuvo la respuesta de cilindros de concreto reforzados con una capa de polímeros mezclados con fibras de carbono sujetos a fuerza axial, para entender y predecir cuándo y cómo se producirá el daño y sus efectos en las estructuras que emplean dicho recurso.

Materiales y métodos Para elementos sometidos a compresión simple o compuesta se puede hacer un refuerzo por confinamiento, el cual se hace principalmente en pilares o columnas. Utiliza el sistema de tejidos, por su fácil adaptabilidad a cualquier forma del soporte.

Con los tejidos se envuelve por completo la pieza a reforzar de abajo a arriba. Se le pueden poner tantas capas de tejido como se desee. Esta envoltura provoca un confinamiento de la pieza que mejora su comportamiento frente a cargas. Cuando la pieza se comprime en un inicio se acorta y por efecto Poisson se dilata transversalmente; el efecto de confinamiento controla la dilatación transversal, lo que enriquece la capacidad portante (Águila, 2010). Relativo a los sistemas de refuerzo con laminados de materiales compuestos adheridos a las superficies de concreto, emplean adhesivos y materiales compuestos o «compositos».

Adhesivos Los más usados son las resinas epoxi, si bien puede formularse una gran gama de resinas es necesario establecer en cada caso las características más idóneas, no sólo por condicionantes mecánicos, sino a condiciones ambientales (humedad ambiental, temperatura, etcétera). En este proyecto se eligió la resina de impregnación de alto módulo y alta resistencia Sikadur®–301. También se usó la pasta adhesiva epóxica de alto módulo Sikadur®–30, que posee alta resistencia estructural para reforzamiento externo con Sika CarboDur o metálico.

Fibras Las fibras de carbono cuentan con el módulo de elasticidad más alto (230–300 Gpa), lo que resulta más compatible con la deformación requerida para garantizar un mejor comportamiento en las piezas de concreto y obtener composites de mayor resistencia y rigidez. Sus características mecánicas difieren según el material base y la orientación de los cristales. Son las más demandadas en la fabricación de laminados para refuerzo de estructuras, aunque la energía que consumen en su elaboración es elevada, al igual que su costo.

Entre sus propiedades generales destacan: elevadas resistencias mecánicas, comportamiento lineal hasta la rotura, resistencia a la corrosión y a los ataques químicos, ligereza, presentación en cualquier longitud (eliminación de juntas), muy buen comportamiento a fatiga, buenas propiedades dieléctricas.

SikaWrap®–301 c Es un tejido unidireccional de fibra de carbono de alta resistencia, útil en el procedimiento de aplicación en seco. El concreto simple es un material heterogéneo obtenido de la mezcla del cemento, agregados pétreos y agua. Durante el proceso de los especímenes se tomaron como referencia las Normas Mexicanas nmx–c–111–onncce–2004 «Industria de la construcción–agregados para con-

Volumen 8, número especial

abril 2014, issn 1870 –8196

5

creto hidráulico–especificaciones y métodos de prueba».

Diseño del experimento En la determinación del tamaño de muestra se usó un modelo experimental factorial, además se elaboraron veintiún cilindros de acuerdo con la Norma Mexicana nmx–c–160 (con un diámetro de 150 mm y 300 mm de altura). Nueve cilindros fueron escogidos a fin de establecer como testigos la resistencia a compresión simple del concreto y doce para el reforzamiento con fibras de carbono.

Cabe mencionar que los especímenes se elaboraron con el material concreto, mediante el método de mínimo de huecos, que calcula las cantidades de cemento, grava, arena y agua, necesarios en la producción de un concreto con determinada resistencia a la compresión f’c según la relación agua–cemento. Los materiales pétreos provienen de los bancos de materiales de la región de Zacatecas y Aguascalientes, cuyas características físicas son recomendadas en la fabricación de concreto.

En la evaluación de la calidad se efectuaron pruebas de secado, granulometría de arena y grava, densidad relativa aparente, absorción y pérdida por lavado.

Una vez calculadas las cantidades de los agregados con la proporción base por medio de vacíos y una relación agua–cemento de 0.74, se seleccionó el material pétreo para veintiún especímenes y se le aplicó el método de cuarteo. La temperatura y el agua se consideran constantes en la experimentación; la temperatura osciló acorde a lo esperado, en tanto que en la preparación de las mezclas se usó agua purificada; el cemento empleado fue Portland Monterrey cpc 30r. En las figuras 1 y 2 se esquematiza el proceso de elaboración de las muestras: el secado y el cuarteo de los materiales.

Figura 1. Secado de grava.

Figura 2. Cuarteo de arena.

El mezclado de los materiales en la revolvedora se aprecia en la figura 3, en tanto, la figura 4 muestra la medición de la prueba de temperatura con base en la normatividad.

Figura 3. Elaboración del concreto.

Investigación

6

CIENTIFICA revenimiento, calidad del agua, humedad, condiciones de curado). Se consideró a f’c como variable controlada. Es pertinente comentar que para la elección de los cilindros en el reforzamiento se eligió el diseño de aleatoriedad por bloques; mientras que los especímenes con las mismas condiciones en la fabricación del concreto se reforzaron con una capa de fibra de carbono.

Reforzamiento de cilindros Figura 4. Medición de temperatura.

Asimismo, las figuras 5 y 6 exhiben la prueba de revenimiento de la mezcla de concreto y el descimbrado de los cilindros.

Una vez transcurridos los veintiocho días de curado de los especímenes, fueron extraídos de la pila para secarlos e iniciar con los trabajos de reforzamiento con base en las recomendaciones del fabricante de la fibra. Después de colocar la fibra, el proceso de secado duró siete días, con el objeto de lograr la máxima resistencia proporcionada por la fibra. Como resultado se obtuvo un confinamiento entre fibra y concreto en forma de una pieza monolítica (figura 7).

Figura 5. Prueba de revenimiento.

Figura 6. Decimbrado de cilindros.

La resistencia del concreto también es una constante de la relación agua–cemento. Con el propósito de evitar grandes fluctuaciones en el concreto y controlar variables que intervienen en su fabricación (temperatura, edad del concreto,

Figura 7. Reforzamiento de cilindros con la fibra de carbono.

Volumen 8, número especial

Descripción de pruebas mecánicas Posteriormente se aplicó la carga axial en los especímenes como se describe a continuación. Primero se efectuó la medición de diámetro y longitud con un valor vernier y luego se hizo el pesaje. Para la medición de las deformaciones longitudinales se marcaron puntos de color rojo a ciertas distancias y se tomaron fotografías. En seguida, se llevó a cabo el cabeceo de los especímenes con azufre. Se colocó una cámara de alta definición a una distancia considerable con la intención de visualizar los puntos rojos y la carga mostrada en la pantalla de la prensa; las fotografías fueron tomadas a diferentes tiempos.

Por último, se aplicó la carga a una velocidad constante de 2.5 ton/cm2/s hasta la falla del espécimen (figura 8).

Figura 8. Prueba de compresión en cilindros.

La resistencia del concreto sin confinar con una relación agua–concreto fue de 0.74, y presentó una resistencia a la compresión de f’c=170 kg/cm2, considerada de baja resistencia, puesto que existen pruebas en concretos hasta de 400 kg/cm2.

abril 2014, issn 1870 –8196

7

Resultados y discusión Para la obtención de la resistencia real del concreto sin confinar se escogieron nueve especímenes, los cuales se probaron a compresión simple; la resistencia promedio fue de f’c=170 kg/cm2 (figura 9).

Figura 9. Diagrama esfuerzo–deformación del concreto simple a fuerza de compresión.

El comportamiento mecánico de los doce cilindros de concreto simple encamisados con una capa de fibra de carbono se expone en la figura 10. La prueba se realizó en una prensa digital con control de velocidad de carga de 2.5 ton/ cm2/s y la deformación se efectuó de manera óptica a partir del concepto de deformación longitudinal unitaria. Se puede observar la curva esfuerzo–deformación de la muestra analizada mediante métodos estadísticos en los que se aprecia un máximo esfuerzo de 310 kg/cm2 y una deformación máxima de 0.026; la fibra le proporciona un incremento en la resistencia del 68 al 82 por ciento respecto a la resistencia del concreto simple. En adición, hay una ductilidad que representa diez veces más la deformación última del concreto simple, lo que permite comprobar la hipótesis planteada en la investigación. La resistencia promedio de los especímenes reforzados con una capa de fibra es f’c=273 kg/cm2.

Investigación

8

CIENTIFICA cada (figura 11). En los especímenes reforzados con una capa de fibra, la falla fue la misma a los especímenes sin confinamiento pero en distintas secciones de los cilindros: parte superior, media e inferior del mismo. Ocurrió una explosión debido a la falla por tensión de la fibra (figura 12).

Figura 10. Diagrama esfuerzo–deformación del concreto reforzado con fibras de carbono.

Análisis comparativo con el cálculo del aci (programa de Sika) A fin de predecir los resultados se calculó previamente el tronado de los especímenes con un programa en Excel sustentado en la normativa aci, proporcionado por la empresa Sika (tabla 1).

Figura 11. Modo de falla concreto simple.

TaBLa 1. anÁLisis comparaTivo De La resisTencia De ciLinDros experimenTo–criTerio aci Características del concreto Sin confinamiento Confinado con una capa de fibra

f’c obtenida (kg/cm2) 170.00 273.00

f’c AcI ( kg/cm2) ––––– –– 281.00

En los especímenes con una capa de fibra las cifras son menores a las indicadas en la normativa aci; cabe aclarar que la resistencia es en promedio y que algunos cilindros superaron la resistencia proporcionada por las fórmulas del aci; la figura 10 expone que los cilindros 4, 9, 11 y 12 mantuvieron esfuerzos mayores a 281 kg/cm².

Modos de falla en los especímenes El modo de falla en los especímenes sin confinamiento presentó un agrietamiento paralelo a la dirección de la carga axial apli-

Figura 12. Modo de falla concreto reforzado.

Conclusiones De acuerdo con la campaña experimental realizada con cilindros de concreto (los cuales se reforzaron perimetralmente y quedaron confinados con fibras de carbono) se concluye que hubo un incremento considerable en la resistencia y deformación del concreto, la hipótesis planteada se confirma, las fibras de carbono aportan mayor resistencia

Volumen 8, número especial

y ductilidad, así como mayor resistencia e incremento de peso casi nulo.

Con base en lo anterior, es posible alcanzar resistencias del orden del 60 por ciento mayor que la resistencia del concreto sin confinar, cuando se confina con una capa (170 kg/cm2 a 273 kg/cm2).

Asimismo, el modo de rotura de las probetas confinadas se debe a la rotura de la fibra, que tiene la característica de ser explosiva; la masa al interior manifiesta en algunas probetas un desmoronamiento como estrangulación del concreto y la marcada fisuración paralela a la dirección de la carga.

El refuerzo posee una estructura monolítica donde el concreto y la fibra están adheridos. La longitud de traslape utilizada, que es la menor recomendada por Sika (10 cm), muestra un anclaje satisfactorio ya que no se observó deslizamiento de las uniones y ningún espécimen tuvo falla en ellas.

Por último, se confirma la hipótesis de que las fibras de carbono aportan mucha mayor resistencia al trabajar en conjunto con el concreto y se demostró que la normativa aci está en lo correcto en cuanto al aumento de resistencia con una capa de fibra. La orientación elegida en la colocación de la fibra perimetral o circunferencial fue efectiva, al aportar el incremento de la capacidad de los elementos ensayados. El método de polímeros reforzados con fibras de carbono en elementos de concreto aporta ductilidad, resistencia, bajo peso y fácil aplicación.

Bibliografía American Concrete Institute (2008). Guide for the Design and Construction of Externally Bonded frp Systems for Strengthening Concrete Structures. usa: Author.

abril 2014, issn 1870 –8196

9

Águila, V. (2010). Características físicas y mecánicas de hormigones reforzados con fibras de: vidrio, carbono y aramida (Tesis de maestría). Universidad Politécnica de Madrid, Madrid.

Bernard, P. (2011). Use of Fibre Reinforced Polymer Composites in Bridge Construction. State of the Art in Hybrid and All–Composite Structures (Tesina d’especialitat). Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, España.

Blanco, A. (2008). Durabilidad del hormigón con fibras de acero (Minor thesis). Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, España.

Bueno, D. y Bravo, D. (2012). La fibra de carbono. Recuperado de http://www.slideshare.net/DavidBuenoSaenz/fibra–de–carbono –15439377 Ching, Au (2011). Behavior of frp–Confined concrete (Master thesis).

Massachusetts Institute Technology, usa.

Guerrero, A. (2011). Comportamiento confinado de hormigones de resistencia normal y alta base de datos experimental y calibración de modelo analítico (Tesina de maestría). Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, España.

Montes De Oca, A. y Quiñónez, V. (2011). Incidencia del poliestireno expandido reciclado y la fibra de polipropileno en la resistencia a compresión del concreto para un diseño de mezcla con f’c de 250 kgf/cm 2 (Tesis de grado). Universidad Nueva Esparta, Caracas, Venezuela. nmx–c–111–onncce (2004). «Industria de la construcción–agregados para concreto hidráulico–especificaciones y métodos de prueba». nmx–c–122–onncce (2004). «Industria de la construcción–agua para concreto–especificaciones». nmx–c–159–onncce (2004). «Industria de la construcción–concreto–elaboración y curado de especímenes en el laboratorio». nmx–c–435–onncce (2004). «Industria de la construcción–concreto–método para determinar la temperatura del concreto fresco».

Parrilla, P.D. (2011). Análisis teórico–experimental de pilares y vigas de hormigón armado reforzados con fibra de carbono (Tesis de maestría). Universidad Politécnica de Madrid, España.

Picazo, Á. (2010). Estudio experimental del comportamiento a esfuerzo cortante de vigas de hormigón reforzadas con fibras de carbono (Tesis de maestría). Universidad Politécnica de Madrid, España.

Toloza, L.A. (2005). Recuperación de estructuras de hormigón en base a cfrp (polímeros reforzados con fibras de carbono) (Tesis de grado). Universidad Austral de Chile, Chile. www.sika.com.mx