ingernieria de la construcción

Estado del arte sobre

rehabilitación de vigas de

acero empleando fibra de

carbón

Olmos, B. A., Jara, J. M., Rojas, R.

Facultad de Ingeniería Civil. UMSNH

Resumen

Muchos de los puentes existentes en la República Mexicana construidos con estruc-tura de acero presentan daños con el paso del tiempo debidos a cambios en las de-mandas de tráfico y a su interacción con el medio ambiente, que con frecuenciaorigina corrosión en sus elementos de acero. La Secretaría de Comunicaciones yTransportes (SCT) es la encargada de mantener en buen estado las vías de transpor-te y comunicación en nuestro país. Esta institución gubernamental, se enfrenta añocon año con el problema de rehabilitar o, en muchos casos, reemplazar completa-mente algunos de los puentes carreteros. Esto implica la inversión de una gran canti-dad de dinero, así como la interrupción de la circulación del tránsito en periodos cortoso largos dependiendo de la técnica seleccionada para realizar dicho objetivo. Con es-tos dos importantes factores en mente, costo y tiempo de reparación, varios investiga-dores se han dado a la tarea de desarrollar técnicas efectivas para la rehabilitación deestructuras de acero mediante el empleo de materiales compuestos, entre los que seencuentra el refuerzo con láminas de fibra de carbón, conocido como CFRP (carbonfiber-reinforced polymers). Este material, usado frecuentemente en países como EEUU, Canadá y Nueva Zelanda entre otros, ofrece una manera sencilla y eficiente parareforzar estructuras de acero. La finalidad de este artículo es brindar un panoramaamplio de los principales aspectos de la rehabilitación de vigas de acero con CFRP a

Ciencia Nicolaita No. 45 97 Diciembre de 2006

través de estudios experimentales y analíticos recientemente elaborados, así comosu posible implementación y desarrollo en los próximos años.

Abstract

Several steel bridges built in Mexico have shown damages caused mainly by corro-sion or fatigue loading. The Transportation and Communication Secretary in Mexico isthe government office responsible of maintaining the highways in the country. Everyyear the Secretary faces the problem of having to rehabilitate or, in several cases, toreplace bridges, implying an enormous cost and the traffic interruption for short or longperiods. Several researchers have been working on the development of rehabilitationtechniques for steel structures using composite materials as carbon fiber-reinforcedpolymers (CFRP). Fiber-reinforced polymers offer an efficient and simple techniquefor retrofitting steel elements and they have been employed in many countries likeUSA, Canada and New Zealand to repair damaged bridges. This paper provides a sta-te-of-the art on the use of CFRP for repairing and retrofitting of steel beams based onthe analytical and experimental studies currently published. The paper finally discus-ses the CFRP potential use and expected development in future years.

Introducción

En todo el mundo, los puentes juegan un papel muy importante en el desarrollo eco-nómico de cada país debido a que son el instrumento que permite la comunicación entre ciu-dades y comunidades; más aún, permiten que comunidades rurales tengan acceso ahospitales, escuelas, y otros servicios de vital importancia para el ser humano. Los principa-les daños en estructuras de acero normalmente están asociados a la corrosión producto dela salinidad del agua, al impacto ambiental, a la falta de mantenimiento de la estructura, y alcrecimiento en el peso de los vehículos que transitan en las mismas. Como resultado, la eva-luación de puentes existentes muestra en muchas ocasiones que las estructuras se encuen-tran trabajando con factores de seguridad inferiores a los establecidos en reglamentos ycódigos vigentes, lo que conduce, en el mejor de los casos, a considerar su reparación o enel peor de los escenarios a su sustitución. (Abdullah y col, 2004; Hooks, 2001; Miller y col,2001).

En los últimos años, las técnicas de rehabilitación y refuerzo de puentes más común-mente usadas fueron básicamente el refuerzo de miembros estructurales, adición de miem-bros generando continuidad en los apoyos y la aplicación de preesfuerzo externo en loselementos. A pesar de que estas técnicas han sido ampliamente usadas en todo el mundo,tienen entre otras desventajas la necesidad del uso de maquinaria que en ocasiones no es li-gera y la interrupción del servicio por largos periodos. Por ejemplo, al rehabilitar estructurasde acero con cubreplacas, se requiere ubicar maquinaria pesada que retrasa el proceso y lasoldadura utilizada para conectar las placas genera esfuerzos residuales que favorecen lafatiga del material y facilitan la iniciación de la corrosión entre la placa de refuerzo y el miem-

Estado del arte sobre rehabilitación de vigas de acero...

Diciembre de 2006 98 Ciencia Nicolaita No. 45

bro existente (Abdullah y col, 2004, Katsuyoshi y Hajjar, 2005; Tavakkolizadeh y Saadatma-nesh, 2003a).

Actualmente los materiales compuestos son empleados en diversas áreas con granéxito. Estos materiales comenzaron a ser utilizados durante la segunda guerra mundial enlas industrias militar, aeroespacial y automotriz. Desde entonces se han realizado un consi-derable número de estudios analíticos y experimentales que muestran buenos resultados alser empleados para reforzar y rehabilitar estructuras de concreto reforzado. A pesar de losresultados prometedores encontrados en las estructuras de concreto, los investigadores noexploraron su aplicabilidad en estructuras de acero en décadas pasadas; recientemente, sinembargo, se ha recobrado el interés por utilizar materiales compuestos para reforzar estruc-turas de acero.

En los Estados Unidos de América se dio un gran impulso al desarrollo y utilización demateriales compuestos con el programa Innovative Bridge Research and Construction(IBRC) creado para financiar trabajos de investigación analítica y experimental que permitie-ran el desarrollo de nuevas técnicas para la rehabilitación y la reparación de puentes. El prin-cipal interés de el IBRC se centró en proyectos que demostraran el mejor uso y eficiencia demateriales innovadores como aceros de alta resistencia, fibras de refuerzo (FRP), materia-les compuestos, concretos de alta resistencia y barras de acero reforzadas resistentes a lacorrosión, a partir de los cuales emergieran especificaciones prácticas, técnicas de diseño, ytecnologías fáciles de incorporar en los códigos de diseño y construcción existentes para laelaboración de proyectos que redujeran los costos y tiempos de rehabilitación (Hooks,2001).

En la actualidad existe un gran número de puentes rehabilitados con CFRP en todo elmundo; países como Canadá y Japón cuentan con códigos de diseño para estructuras refor-zadas con fibras de carbón (sección 16 del Canadian Highway Bridge Design Code y elCFRP Design Manual of the Japan Society of Civil Engineers). En EE UU se usaron estastécnicas de rehabilitación con fondos del IBRC en algunos puentes como el Salem AvenueBridge in Dayton, Ohio, Alabama State Highway 81 sobre el arroyo Uphapee, Maryland 24cruzando el arroyo Deer y el puente Old Youngs Bay en Oregon.

La rehabilitación de puentes de acero con materiales compuestos, del tipo de políme-ros reforzados con fibras de carbón (CFRP), son una solución efectiva y eficiente que seaplica con mayor facilidad que las técnicas tradicionales. Con base en lo anterior, el principalobjetivo de este trabajo es presentar una revisión de estudios analíticos y experimentalesque muestren la eficiencia, comportamiento y técnica de rehabilitación de estructuras deacero usando materiales compuestos. Finalmente, se comentan algunos aspectos del com-portamiento de estos sistemas que requieren profundizar en la investigación hasta ahorarealizada.



Propiedades de los Polímeros Reforzados con Fibra de Carbón

(CFRP)

Los CFRP están hechos de filamentos de alta resistencia (su esfuerzo a tensión exce-de a 2GPa) como el vidrio, carbón, y kevlar colocados en una matriz de resina. Sus propieda-des mecánicas son muy atractivas para las estructuras de ingeniería considerando que suresistencia a tensión y su módulo de elasticidad son mayores a los 1,200 MPa y 140 GPa,respectivamente. Adicionalmente a su alta resistencia a la tensión, estos materiales tienenmuy bajo peso (menor de cinco veces el peso del acero) y alta resistencia a la corrosión. Enla tabla 1 se muestran propiedades típicas de CFRP usadas por Karbhari y Shulley (1995).

TABLA 1Propiedades de hojas de FRP

Tipo de fibra ClasificaciónEsfuerzo a tension

(MPa)Módulo de

elasticidad (GPa)Peso (grs/m

2)

Carbón

C1-20 3 480 228 200

C1-30 3 480 228 300

C5-30 2940 370 300

VidrioGE-30 1 520 76 300

GT-30 2 070 86 300

Tomado de Karbhari y Shulley (1995)

Las placas de CFRP ofrecen un número considerable de ventajas sobre los métodostradicionalmente empleados en la reparación de estructuras de acero, entre las más impor-tantes se encuentran:

1. Bajo peso.

2. Alta durabilidad.

3. Proporcionan buena protección para resistir corrosión si las placas de CFRP son cu-biertas con una matriz de resina epóxica en ambos lados.

4. Alta resistencia a la fatiga, que hace atractiva su implementación para miembros deacero donde se espera la formación de articulaciones plásticas.

5. Bajo costo en mantenimiento. Actualmente, el costo de los materiales compuesto esdirectamente proporcional a la cantidad de material producido (Miller y col, 2001). Elelevado costo unitario de las CFRP resulta muy bajo al tomar en cuenta su bajo cos-to de instalación y mantenimiento.



6. La técnica se puede implementar tanto en la construcción de nuevas estructurascomo en la reparación y refuerzo de estructuras existentes.

Técnicas de rehabilitación

El desarrollo de nuevas técnicas de rehabilitación debe considerar, entre otros aspec-tos, la durabilidad, compatibilidad y transferencia de carga. Es también importante, especial-mente en estructuras de acero, considerar el esfuerzo de fatiga de los miembros. Aunque lamayor parte de los estudios realizados para el refuerzo de estructuras con láminas de CFRPconsideran estructuras de concreto reforzado, existen varios trabajos relativos a su aplica-ción en estructuras de acero (Abdullah y col, 2004; Karbhari y Shulley, 1995, Tavakkolizadehy Saadatmanesh 2003a). Las placas de CFRP se adhieren generalmente al patín de tensióny/o al alma de la sección de acero con matrices de resina de vinyl-ester; la selección del ad-hesivo utilizado para pegar las placas juega un papel muy importante para el buen funciona-miento del sistema restaurado y para la durabilidad de la unión. Por otro lado, lascondiciones del medio ambiente como temperaturas extremas, agentes ácidos, salinidad delas aguas entre otros factores, deben considerarse para la adecuada selección del adhesivoa emplear en la conexión.

Varios estudios que se comentan adelante, muestran que las láminas de CFRP no eli-minan la formación de grietas, pero reducen substancialmente la velocidad de crecimiento;asimismo, el incremento de la resistencia no es función directa del espesor de las placas, yaque muestras rehabilitadas con hojas de gran espesor, suelen fallar por pérdida de adheren-cia. El uso de matrices de resina epóxica que cubran ambos lados de la conexión durante elproceso de fabricación mejora considerablemente el comportamiento de la estructura refor-zada, ya que evita la falla prematura por adherencia al no estar en contacto directo el acerocon las fibras de carbón.

Estudios analíticos y experimentales de refuerzo de elementos con

fibra de carbón

Tavakkolizadeh y Saadatmanesh (2003a y 2003c), estudiaron tres vigas de aceroW355X13.6 reforzadas con CFRP. Las vigas se conectaron en su patín de compresión conuna losa de concreto reforzado; se analizó la respuesta removiendo un porcentaje del patínsometido a tensión y colocando para su reparación, una, tres y cinco láminas unidirecciona-les de CFRP. El comportamiento típico de los materiales utilizados en las pruebas, se mues-tra en la figura 1. En esta figura es fácil apreciar que la relación esfuerzo-deformación de lasCFRP es linealmente elástica hasta que se presenta la falla, que los intervalos de esfuerzosy deformaciones unitarias son muy diferentes en los tres materiales y que los esfuerzos quealcanza la fibra de carbón son considerablemente mayores que los de los otros materiales.Los resultados de las pruebas estáticas realizadas muestran que la rigidez elástica se man-tiene prácticamente sin ningún cambio, sin embargo, la capacidad última se incrementó en



44%, 51% y 76%, respectivamente como función del número de láminas de fibra adiciona-das. La eficiencia del trabajo de las láminas se reduce con el incremento de su número;mientras que al colocar una sola capa de fibra de carbón ésta alcanza el 75% de su capaci-dad cuando falla la viga, este porcentaje se reduce al 42% cuando se colocan cinco capasde fibra. Un aspecto importante es el poco efecto que tiene la fibra en los esfuerzos y defor-maciones de tensión medidos en el patín de tensión cuando éste se encuentra en la zonaelástica de comportamiento; este efecto fue considerable sólo cuando el patín incursiona enla zona inelástica, en donde se midieron reducciones de la deformación unitaria entre el21%, 39% y 53% como función del número de láminas colocadas.

Miller y col (2001), estudiaron cuatro vigas S24x80 de puentes a escala natural paradeterminar la efectividad de placas unidireccionales de CFRP en el refuerzo del patín inferiorde las vigas de acero. Las vigas fueron retiradas de un puente por su deterioro por efectos decorrosión, que les ocasionó una pérdida de rigidez entre el 13% y 32%. Los autores realiza-ron pruebas experimentales e implementaron un modelo analítico lineal de la junta de adhe-rencia para investigar los esfuerzos cortantes en la junta y la distribución de lasdeformaciones en las láminas de CFRP. Se encontró que la fuerza de transferencia es fun-ción de la geometría y propiedades del acero, de las propiedades de las láminas de CFRP, ydel adhesivo; cualquier variación en ellas se reflejó en la longitud de transferencia de la fuer-za y en la magnitud de la fuerza transmitida a las placas de CFRP. En su trabajo reportaronque hasta un 98% de la fuerza total transferida ocurre en los primeros 100 mm del final de lalámina de fibra de carbón, valor que usaron en su trabajo experimental. Es importante seña-lar que en sólo uno de los casos estudiados se presentó pérdida de adherencia entre la fibra



Figura 1. Curvas típicas esfuerzo-deformación: a) CFRP; b) Patín de acero; c) Concreto reforzado. Tomada de Tavakkolizadeh

y Saadatmanesh (2003a).

y el patín de la viga. Los resultados mostraron un incremento de la capacidad última de las vi-gas entre 17% y 25%, con respecto a la resistencia última estimada en la condición dañada.Con los resultados de este trabajo y empleando la misma técnica del trabajo de investiga-ción, los autores rehabilitaron un puente que cruza el Christina Creek en EE UU. Con baseen los resultados experimentales y de monitoreo del puente se concluyó que las láminasproveen rigidez y resistencia a vigas de gran peralte de puentes deteriorados, con incremen-tos en la rigidez global a flexión de hasta un 11.6%.

Para implementar una filosofía de diseño de vigas de acero reforzadas con fibras decarbón, es necesario definir una longitud de unión (dependiendo del máximo esfuerzo quese desarrolla entre una tira de CFRP y el adhesivo). Concentrados en este tema, Katsuyoshiy Hajjar (2005), llevaron a cabo un trabajo analítico y experimental donde se estudió la longi-tud efectiva de las uniones de diferentes muestras. Las variables de interés fueron las pro-piedades de las CFRP, los materiales adhesivos, el ancho de grieta y la configuración ylongitud de la conexión. Tanto los resultados analíticos como los experimentales demostra-ron una longitud efectiva de 178 mm para cinco tiras de Tyfo UC CFRP conectadas con ad-hesivo tipo 3M DP-46NS. Los autores encontraron, adicionalmente, que la distribución deesfuerzos de tensión registrada en las CFRP demuestra que el adhesivo alcanzó la fluenciapoco después de que la muestra fue sometida a la carga, lo que mostró la necesidad de queel adhesivo sea dúctil para que los esfuerzos en el espécimen se distribuyan adecuadamen-te durante los incrementos de carga. Por otro lado, se propone estimar analíticamente lasdeformaciones para predecir la longitud efectiva de la unión, si se conoce previamente el es-fuerzo cortante último del adhesivo.

Shield y col (2003), realizaron otro estudio relacionado con la reparación de vigas degran peralte en puentes. Este trabajo fue motivado por los estudios que reportan grietas porfatiga en el borde de terminación de la soldadura que une el patín de tensión de la viga conlas cubreplacas y por otros trabajos donde se describe la reiniciación de grietas en vigas degran peralte anteriormente rehabilitadas mediante técnicas tradicionales. Los investigado-res estudiaron el comportamiento de las vigas de gran peralte reforzadas con láminas deCFRP adheridas en la superficie de las grietas en el patín de tensión. Uno de los principalesobjetivos de este trabajo fue determinar la longitud efectiva de adherencia de las tiras deCFRP conectadas en el patín de tensión de las vigas. Considerando que los adhesivos sonusualmente la parte más débil de la conexión entre la viga de gran peralte y las tiras deCFRP, se probaron cinco especímenes con diferentes adhesivos y dos tipos de CFRP. Laspropiedades mecánicas de los adhesivos se eligieron para permitir esfuerzos de tensión en-tre 24.8 y 46.9 MPa y de 0.9% a 3.3% de la elongación de ruptura. El esfuerzo de tensión a laruptura para las CFRP varió en un intervalo de 2.029 a 2.630 GPa con valores de la elonga-ción de ruptura entre 1.7% y 1.8%.

Los autores de este trabajo definieron la longitud efectiva de adherencia como la dis-tancia más corta de adherencia donde se desarrolla el máximo esfuerzo posible en lasCFRP. Para alcanzar este objetivo, se llevaron a cabo varias pruebas experimentales con vi-gas tipo W14x68, W27x94 y W27x84. En el primer análisis, se generó flexión a la viga



W14x68 para producir esfuerzos de tensión en el patín inferior. Antes de comenzar la prue-ba, se simuló una grieta artificial en patín de tensión mediante un agujero con forma de rejillade 1.27 cm de ancho en el centro de la viga (figuras 2 y 3). Se estudiaron dos valores del an-cho de la rendija y varias configuraciones y número de tiras de CFRP. En todos los casos es-tudiados las tiras se colocaron en una placa de acero adicional atornillada al patín inferior dela viga (figura 4). En la figura 5 se muestra el último espécimen antes de ser sometido a laprueba experimental.

Previamente al estudio experimental de vigas a escala natural con carga cíclica, seefectuaron pruebas de una viga de gran peralte fatigada bajo carga estática. El objetivo prin-cipal de esta serie de pruebas fue investigar el efecto de las CFRP en la rehabilitación de ele-mentos de acero. Cuando se realizó la prueba a flexión de la viga W27x94, el espécimenhabía sido previamente probado y dañado con una grieta en el centro. En este caso se aplicóuna carga monotónica. Antes de iniciar el experimento la grieta tenía una longitud aproxima-da de 10 cm; se adhirió una capa de CFRP en ambos lados del alma cubriendo la porción li-bre del patín en tensión. El adhesivo se aplicó en una longitud de 10 cm centrado con lagrieta, seguido de una longitud simétrica de 20 cm, originando una longitud total de 50 cm delámina de CFRP.

Para determinar el efecto de la conexión de las CFRP en el crecimiento de las grietasde las vigas rehabilitadas se realizaron pruebas cíclicas de carga a la fatiga en la vigaW27x94. Teniendo en cuenta que uno de los procedimientos más usados en la reparaciónde vigas que presentan problemas de agrietamientos es la perforación de agujeros en el ex-tremo de las grietas para reducir los esfuerzos ahí presentados, tres de los especímenes deprueba se repararon con esta técnica y uno de los modelos fue rehabilitado únicamente conCFRP.



Figura 2. Prueba experimental de una viga W14x68. Tomado de Shield y col (2003).



Figura 5. Espécimen con

una placa atornillada y

CFRP. Tomado de Shield

y col (2003).

Figura 3. Detalle del agu-

jero central con forma de

rejilla en el patín de ten-

sión. Tomado de Shield y

col (2003).

Figura 4. CFRP adheridas a una placa de acero antes de colocarse en una viga W14x68. Tomado de Shield y col (2003).

Los especímenes fueron cargados cíclicamente con la finalidad de obtener un esfuer-zo máximo del orden de 20.7 MPa en los patines de la viga. Se eligió este valor considerandoque se encuentra dentro del intervalo de los valores de esfuerzo medidos anteriormente enpuentes ubicados en los alrededores del área metropolitana de Minneapolis, Min., EE UU.

Con la instrumentación de las pruebas se obtuvo la distribución de esfuerzos de ten-sión en las láminas de CFRP. A pesar de que los autores presentan algunas recomendacio-nes relacionadas con la mejor combinación de adhesivos encontrada en este trabajo, sonmás notables los resultados que muestran la gran concentración de esfuerzos en el bordede la capa del adhesivo originando fluencia en esta zona, con importantes demandas deductilidad en el adhesivo que deben alcanzarse si se busca que las CFRP logren grandesdeformaciones. De acuerdo con estos análisis, se encontró que la longitud efectiva para unacapa de CFRP es de 20 cm.

Las pruebas mostraron que el momento requerido para alcanzar la falla del espéci-men se incrementa conforme crece el número de capas de CFRP, pero disminuyen las de-formaciones alcanzadas a la falla. Mientras el momento máximo necesario para producir lafalla usando dos capas es el doble del requerido para una capa, la deformación a la falla delmodelo con dos capas es únicamente el 77% de la alcanzada con una capa.

Otra conclusión importante de este trabajo es referente a la falla de las láminas deCFRP. A diferencia de los resultados reportados en otros estudios con estructuras de acero,independientemente del adhesivo utilizado, la falla de la conexión fue asociada con la pérdi-da de adherencia de las capas (figura 6) y en algunos casos la falla fue acompañada de lafractura de las fibras. La concentración de esfuerzos en los bordes de las láminas de CFRPevita que éstas alcancen totalmente su resistencia y es claro, al observar los resultados delas pruebas, los complejos mecanismos de falla donde se presenta pérdida de adherenciade las capas de CFRP para diferentes tiempos de la prueba experimental, como función delas propiedades mecánicas del adhesivo. Los autores identificaron que la pérdida de adhe-



Figura 6. Falla por pérdida de adherencia de las tiras de CFRP. Tomado de Shield y col (2003).

rencia depende fundamentalmente de la longitud del área donde el adhesivo alcanza lafluencia y de la respectiva longitud donde el comportamiento es elástico.

Las pruebas experimentales cíclicas permitieron concluir que la vibración típica deltránsito automovilístico no afecta substancialmente el esfuerzo de adherencia del adhesivo;importante conclusión debido a la posibilidad del refuerzo de puentes usando este tipo deesquemas sin tener que detener el tránsito normal en la estructura. El modelo analítico delsistema se realizó con el método del elemento finito usando una malla de 22000 nodos; cali-brando éste con los resultados experimentales, se obtuvieron resultados más generalespara proponer una expresión que evalúa la longitud efectiva de adherencia. Como un ejem-plo de la modificación de la distribución de esfuerzos por la presencia de la fibra de carbón,las figuras 7 y 8 muestran los esfuerzos cortantes del modelo con y sin CFRP, respectiva-mente. Es claro, al observar ambas figuras, la disminución en la amplitud de los esfuerzoscortantes y la superficie en la que actúan cuando se adiciona la lámina de fibra de carbón.

Finalmente es importante señalar que los resultados experimentales mostraron queel crecimiento de las grietas se reduce cuando las vigas de gran peralte son reforzadas an-tes que el agrietamiento alcance la superficie del patín de tensión; en otros casos la rehabili-tación no parece tener importante contribución en los patrones de crecimiento de grietaencontrados.



Figura 7. Distribución de esfuerzos cortantes del modelo analítico de la viga de gran peralte con CFRP. Tomado de Shield y col

(2003).

La efectividad de la respuesta de las CFRP ante ciclos de carga y descarga fue estu-diada por Ekiz y col (2004). Los autores probaron dos miembros a flexión de acero a escalanatural reforzados con CFRP. La orientación y colocación de las hojas de fibra de carbónfueron las principales variables estudiadas. Para fines comparativos se probaron adicional-mente dos elementos convencionales sin refuerzo. Los elementos reforzados con CFRPpresentaron ciclos histeréticos estables más grandes con incrementos substanciales en elárea encerrada por los lazos histeréticos, lo que mostró mayor disipación de energía porcomportamiento inelástico (figuras 9 y 10). La implementación de las CFRP no sólo incre-



Figura 8. Distribución de esfuerzos cortantes del modelo analítico de la viga de gran peralte sin CFRP. Tomado de Shield y col

(2003).

Figura 9. Ciclos histeréti-

cos para elementos reforza-

dos con CFRP. Tomado de

Ekiz y col (2004)



Figura 11. Falla de elemen-

tos convencionales, pandeo

local. Tomado de Ekiz y col

(2004).

Figura 10. Ciclos histeréti-

cos de estructuras conven-

cionales. Tomado de Ekiz y

col (2004).


tos convencionales, pandeo

local. Tomado de Ekiz y col

(2004).

mentó el tamaño de la región plástica de fluencia, además retardó el pandeo por torsión, evi-tó la ocurrencia del pandeo local del elemento e incrementó la capacidad de rotaciónmejorando el comportamiento de fatiga a bajos ciclos. Las figuras 11 a 13 muestran los me-canismos de falla alcanzados por ambos sistemas. De acuerdo con los autores el refuerzocon CFRP es una buena opción para implementarse tanto en nuevas estructuras, comopara reforzar estructuras existentes.

Para determinar la aplicabilidad de polímeros de fibra de carbón en la reparación devigas de acero dañadas, Abdullah y col (2004), estudiaron el comportamiento de seis vigasde acero W8X15 compuestas (conectadas con una losa de concreto reforzado en el patín decompresión) dañadas intencionalmente para simular corrosión en el patín de tensión, y re-paradas con placas de CFRP. La corrosión fue simulada removiendo área del patín inferiorde las vigas estudiadas en proporciones del 25%, 50% y 75 % para cada uno de los experi-mentos conducidos en el intervalo de comportamiento elástico, inelástico y de resistencia úl-tima. En todas las vigas reforzadas se obtuvieron considerables incrementos de rigidez yresistencia y sus mecanismos de falla correspondieron a los mecanismos convencionalesde secciones compuestas. En los especímenes con 25% de material removido, se presenta-ron grandes incrementos en la deflexión posteriores a la aparición del agrietamiento en elconcreto, debido a la fluencia de la viga. Un segundo mecanismo de falla se presentó en laviga con 50% de material removido, en este caso el mecanismo estuvo formado por unacombinación de deslizamiento en la interfase concreto-acero seguido por la fractura de laplaca de CFRP. Finalmente, en la viga con 75% de área del patín inferior removida, se pre-sentó un mecanismo de falla caracterizado por una combinación de deslizamiento en la in-terfase del concreto-acero seguido del agrietamiento del concreto de la losa. Con base enlos resultados se concluyó que la implementación de las placas de CFRP permite recobrarhasta un 50% de la rigidez elástica de flexión del elemento estructural.

Tavakkolizadeh y Saadatmanesh (2003b), prepararon 21 especímenes de vigas deacero con sección S127X4.5 reforzados con láminas de CFRP. El objetivo principal de estetrabajo fue evaluar la contribución de estos materiales en el esfuerzo de fatiga de las vigas




tos envueltos con CFRP. To-

mado de Ekiz y col (2004).

de acero. Se utilizaron tiras unidireccionales de CFRP de 76 mm de ancho y 1.27 mm de es-pesor, los resultados mostraron los siguientes valores promedio: 2,137 MPa de resistencia atensión, 144 GPa de módulo de elasticidad y 0.34 el módulo de Poisson. En los estudios rea-lizados se removió material del patín de tensión de la viga. Así, las tiras de CFRP se coloca-ron en la parte de la sección dañada como reparación del elemento (figura 14).

En la figura 15 se presenta una vista de la viga sin reforzar desde la parte inferior delpatín. Para estudiar la fatiga de las vigas, se aplicaron cargas cíclicas con frecuencias en elintervalo de 5 a 10 Hz, con un máximo de 100,000 ciclos tanto a las vigas reforzadas como alas no reforzadas. La prueba experimental se detuvo cuando la deformación en el centro delclaro alcanzó valores mayores o iguales a 5 mm. Las vigas sin rehabilitación fueron someti-das a ciclos de esfuerzo constante en el intervalo de 64 a 345 MPa. Únicamente dos de losespecímenes, para los ciclos de esfuerzo más bajos, no presentaron falla antes de1,200,000 ciclos. En la figura 15 se muestra el patrón típico de agrietamiento.



Figura 14. Detalle del mate-

rial removido en la viga y el

esquema de refuerzo. Toma-

do de Tavakkolizadeh y Saa-

datmanesh (2003b).

Figura 15. Patrón de agrietamiento, vigas sin rehabilitar. Tomado de Tavakkolizadeh y Saadatmanesh (2003b).

De acuerdo con las categorías de fatiga propuestas en las normas AASHTO (A-E) yconsiderando los resultados de las pruebas, los autores clasificaron los resultados de losmodelos sin rehabilitar entre las categorías C y D y los modelos rehabilitados entre B y C, locual refleja el efecto benéfico de las láminas de CFRP.

En las vigas sin refuerzo, se obtuvieron los resultados que se muestran en la tabla 2.

TABLA 2Número de ciclos para la iniciación de las grietas y la falla de los modelos sin rehabilitación.

Esfuerzo de tension (MPa)Número de ciclos

Iniciación del agrietamiento Falla

207 69, 760 119, 140

241 32, 495 71, 278

276 14, 511 35, 710

310 10, 019 30, 216

345 7, 606 19, 068

Tomado de Tavakkolizadeh y Saadatmanesh (2003b)

TABLA 3Número de ciclos requeridos para la iniciación del agrietamiento y de la falla en los modelos que incluyen las

CFRP.

Esfuerzo de tensión (MPa)Número de ciclos

Inicio del agrietamiento Falla

207 152, 414 379, 824

241 92, 687 241, 965

276 35, 966 105, 345

310 21, 655 75, 910

345 16, 786 54, 300

379 7, 146 35, 356

Tomado de Tavakkolizadeh y Saadatmanesh (2003b).

De los resultados presentados en la tabla 2, es notorio que la relación entre el númerode ciclos de de falla y de inicio de agrietamiento es mayor conforme se incrementa el esfuer-



zo de tensión aplicado. Las pruebas experimentales realizadas en las vigas rehabilitadas secondujeron para esfuerzos de tensión mayores que los anteriores debido al mejor comporta-miento de estas vigas. Una de las diferencias de comportamiento fue la reducción de la rigi-dez antes de alcanzarse la falla. Las vigas sin rehabilitación presentaron reducción derigidez del orden del 10% cuando alcanzaron la falla, mientras que esta reducción fue del or-den de 17% para los modelos rehabilitados. Sin embargo, las diferencias más notables seencuentran en el número de ciclos requeridos para la iniciación del agrietamiento y de la fa-lla, como se muestra en la tabla 3.

Apesar de la falta de adherencia que se presentó en las fibras antes de alcanzar la fa-lla, la efectividad de las láminas de CFRP es evidente cuando se comparan las tablas 2 y 3.El número de ciclos para la iniciación del agrietamiento y de falla se incrementó considera-blemente en el caso de las vigas rehabilitadas (en algunos casos más de tres veces). Adicio-nalmente, la velocidad de crecimiento de las grietas para los modelos reforzados decrecióconsiderablemente, siendo ésta del 25% al 40% de la velocidad de crecimiento medida enlos modelos de vigas sin reforzar. De acuerdo con los resultados mostrados por los autores,los especímenes reforzados incrementan de 2.6 a 3.4 veces la capacidad a la fatiga de lasvigas sin reforzar.

Colocación de la fibra en vigas de acero

Como un ejemplo que muestra un caso práctico de colocación de láminas de CFRPen vigas de un puente de acero, las figuras 16 a 20 presentan la rehabilitación de un puentelocalizado en el distrito de Pottawattamie, EE UU (Phares y col, 2005).



Figura 16. Secuencia de apilamiento para la fabricación de tiras de CFRP. Tomado de Phares y col (2005).



Figura 19. Primera aplicación: aplicación del adhesivo epóxico, e instalación de las placas de CFRP. Tomado de Phares y col

(2005).

Figura 17. Aplica-

ción de las placas

de CFRP en un pa-

tín de acero. Toma-

do de Phares y col

(2005).

Figura 18. Preparación: Superficie de la viga pulida con arena, y limpiado de la superficie de adherencia con acetona. Tomado

de Phares y col (2005).

Conclusiones

Se realizó una revisión de los estudios recientes del comportamiento de elementos deacero rehabilitados con láminas de fibra de carbón. Los resultados comentados permitenobservar el potencial que ofrecen los polímeros reforzados con fibras de carbón para el re-fuerzo y mantenimiento de estructuras de acero. Entre sus ventajas se encuentran su pesoligero, sus propiedades mecánicas y su facilidad de aplicación. De acuerdo con los trabajosanalizados, los aspectos más importantes del comportamiento de elementos de acero reha-bilitados con CFRP son:

� Comportamiento estructural. Todos los estudios analíticos y experimentales coinci-den en el incremento de la capacidad a flexión y cortante de vigas de acero reforzadascon láminas de CFRP. Varios estudios muestran también el incremento en ductilidad delas vigas debido fundamentalmente a que las fibras retardan las fallas asociadas a pan-deo local e incrementan la capacidad de rotación. Adicionalmente, la facilidad de coloca-ción de láminas de fibra de carbón, en comparación con los sistemas tradicionales derefuerzo, hace atractivo su uso.

� Propiedades del adhesivo. La mayoría de los trabajos experimentales coinciden en laimportancia de la pérdida de adherencia y la ruptura de las hojas de CFRP en el compor-tamiento a la falla de vigas de acero reforzadas. Hay sin embargo algunos trabajos quereportan poca importancia de este parámetro por lo que debe analizarse con mayor pro-fundidad el tema.

� Esfuerzo de fatiga. A pesar de la importancia de este parámetro, hay muy pocos estu-dios publicados respecto a este tema para estructuras reforzadas con hojas de CFRP.No obstante que todavía no es posible proponer expresiones generales para evaluareste tipo de esfuerzos, los reportes de pruebas experimentales que realizaron pruebas



Figura 20. Instalación de las placas de CFRP y refuerzo terminado. Tomado de Phares y col (2005).

de fatiga muestran las bondades del refuerzo con CFRP en el incremento de los ciclos defalla.

� Longitud de adherencia efectiva. Este aspecto ha sido ampliamente estudiado analíti-ca y experimentalmente. Sin embargo, existe una variación importante en los valorespropuestos, que muestra la complejidad del fenómeno y que se mantienen importantesincertidumbres respecto al comportamiento de esta variable. A pesar de esto, la mayoríade los estudios coinciden en que los parámetros más importantes relativos a la longitudde adherencia son las propiedades elásticas e inelásticas del adhesivo empleado, asícomo su capacidad al esfuerzo cortante y ductilidad.

Estudios futuros del uso de CFRP para la rehabilitación de

estructuras de acero

A pesar de los resultados prometedores de los trabajos hasta ahora realizados, exis-ten varios estudios que deberán realizarse a futuro para generalizar el uso de estos siste-mas. Entre ellos se encuentran los siguientes.

1. Sistematización de las propiedades de los adhesivos para hacer más generales los re-sultados de los estudios experimentales.

2. Determinación de la distribución de las demandas de ductilidad de los adhesivos en losbordes de las hojas de CFRP.

3. Determinación de una expresión general para la evaluación de la longitud efectiva deadherencia que tome en cuenta las variables ambientales.

4. Determinación de la distribución de momento flexionante y deformación unitaria a la fa-lla de las hojas de CFRP como función del número de capas utilizadas.

5. Determinación de una expresión general, como función de los parámetros de la cargadinámica aplicada, para evaluar la fatiga de vigas de acero reforzadas con CFRP consi-derando variables ambientales.

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