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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

USO DE TELAS POLIMERICAS REFORZADAS CON FIBRAS (FRP) PARA LA REHABILITACION Y REFUERZO DE INFRAESTRUCTURA Y EDIFICACIONES

Carlos E. Peña Ramos 1 y Mo Ehsani 2

RESUMEN En este artículo se presentan los conceptos fundamentales del diseño y comportamiento de elementos estructurales reforzados con telas FRP, así como la discusión de los aspectos más relevantes de las guías de diseño vigentes publicadas por el ACI (ACI 4402R-08) e ICC (AC 125-07). Se presentan además algunas de las experiencias de los autores en la dirección de proyectos de aplicaciones estructurales de telas FRP en rehabilitación sísmica de edificios de varios pisos, en rehabilitación de tuberías de gran diámetro y de puentes.

ABSTRACT This articles presents the fundamental concepts of the design and behavior of structural elements reinforced with FRP fabrics, as well as a discussion of the most relevant aspects of the current design guidelines published by ACI (ACI 4402R-08) and ICC (AC 125-07). Also presented are some of the experiences that the authors had as project directors of structural applications of FRP fabrics in seismic retrofit of multistory buildings, retrofit of large diameter pipes and bridges.

INTRODUCCION

El ingeniero estructural frecuentemente se encuentra en el ejercicio de la práctica profesional con casos donde la resistencia y/o ductilidad de una estructura existente debe ser incrementada. Las razones pueden variar e incluyen: (a) errores de diseño, donde se subestimaron las cargas aplicadas o se sobreestimaron las resistencias de los materiales estructurales; (b) errores de construcción, donde ocurrieron omisiones o mala colocación del acero de refuerzo, o cuando el programa de control de calidad de obra detectó que la resistencia de los materiales estructurales es menor a la requerida; (c) cambio de uso de la estructura, que genera un incremento en cargas gravitacionales; (d) pérdida de un porcentaje del área del acero refuerzo debido a corrosión; (e) cambios en la importancia estratégica del edificio requiere considerar ahora diseño a prueba de explosiones y (f) actualizaciones en los reglamentos de diseño sísmico y/o de viento que obligan a considerar cambios en la magnitud y/o distribución de cargas accidentales. Debido a que los códigos de diseño estructural vigentes están enfocados a construcción nueva, el ingeniero estructural debe apoyarse en guías de diseño auxiliares y en su propia creatividad para desarrollar soluciones prácticas para resolver problemas de rehabilitación y/o reforzamiento de estructuras existentes.

1 Profesor de Ingeniería Civil, Universidad de Sonora, Blvd. Transversal y Rosales, Colonia Centro, Hermosillo, Sonora,

Teléfonos (662) 259-2183 y 84. Presidente de QuakeWrap México, S.A. de C.V., Cataluña No.6, Colonia Los Portales, Hermosillo, Sonora, 83240, Teléfono (662) 268-3916; [email protected].

2 Profesor de Ingeniería Civil, Universidad de Arizona, Civil Engineering Building 206, Tucson, Arizona, 85721, EEUU,

Télefono (520) 621-6589. Presidente de QuakeWrap, Inc., P.O. Box 64757, Tucson, Arizona, 85728-4757, EEUU, Teléfono (520) 791-7000; [email protected].

XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver., 2008

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Aunque se han ya desarrollado varios métodos para la rehabilitación y refuerzo de estructuras existentes, como el post-tensado externo, el uso de placas de acero, incremento de las secciones transversales de elementos estructurales, etc., el uso de la tecnología FRP ha estado ganando popularidad entre los ingenieros estructurales como una opción viable con ventajas únicas con respecto a los métodos más tradicionales. Algunas de dichas ventajas son: (a) alta resistencia con tiempos de curado cortos que permiten poner en uso rápidamente la estructura rehabilitada; (b) se adapta fácilmente a la geometría del elemento estructural a rehabilitarse; (c) el material es muy ligero, lo cual genera un incremento insignificante en la masa del edificio. Este hecho es de gran importancia, ya que no genera incrementos en las cargas sísmicas y de la cimentación; (d) el espero típico de una capa laminada de tela FRP es de aproximadamente 1 milímetro, así que el incremento en la sección transversal de los elementos estructurales rehabilitados es depreciable; esto representa una ventaja funcional importante, ya que no roba espacio interior y puede ser fácilmente ocultado bajo acabados arquitectónicos tradicionales; (e) gran durabilidad en ambientes corrosivos; (f) excelente comportamiento bajo esfuerzos de fatiga; (g) el procedimiento de instalación es simple, requiere cuadrillas pequeñas de instaladores con mínimo equipo, por lo que puede se puede realizar la rehabilitación sin que la estructura tenga que salir de operación.

TELAS POLIMERICAS REFORZADAS CON FIBRAS (FRP) CONSIDERACIONES ESTRUCTURALES Las telas FRP son materiales compuestos consistentes en una tela que contiene fibras con alta resistencia a la tensión inmersa en una matriz de resina epóxica. Dicha resina es el polímero y desarrolla la doble función de proteger a las fibras y de proveer un medio para la distribución uniforme de las cargas a las fibras. Las telas son saturadas en la resina y se colocan como si fueran papel tapiz sobre la superficie del elemento estructural que se desea reforzar; al fraguar la resina, se genera el material compuesto laminado adherido al elemento estructural. Las telas pueden contener fibras de materiales comunes como el vidrio y el carbono o materiales más exóticos como el Kevlar y el Aramid. Desde el punto de vista estructural, las fibras definen las propiedades mecánicas y el comportamiento del material compuesto laminado. Sin embargo, no existe una correlación directa entre las propiedades mecánicas de las fibras individuales y el dicho material. Por ejemplo, una fibra de vidrio típica exhibe resistencias últimas a la tensión de 300 ksi (21,111 kg/cm

2) y módulos

elásticos de 10,000 ksi (703,701 kg/cm2). Sin embargo, un material compuesto laminado que

contenga densidades típicas de dichas fibras solo exhibe resistencias a la tensión de 80 a 120 ksi (5630 a 8444 kg/cm

2) y módulos elásticos de 3000 a 4000 ksi (211,110 a 281,480 kg/cm

2). La

discrepancia significativa en los valores de las propiedades mecánicas se debe a varias razones, entre las que se incluyen: (a) las fibras solo ocupan aproximadamente un 50% del volumen del material compuesto (el resto del volumen lo ocupa la resina); (b) dada la enorme cantidad de fibras presente en el material compuesto, la probabilidad de que todas las fibras alcancen su resistencia última simultáneamente es despreciable, por lo que el modo de falla del material será gobernado por la falla progresiva de las fibras; (c) la enorme cantidad de fibras presentes, hace inevitable que algunas de ellas no queden alineadas con el resto o presenten ondulaciones. La orientación de las fibras dentro de la tela puede variarse dentro del material compuesto aunque para aplicaciones estructurales, las orientaciones se limitan usualmente a una dirección (telas uni-axiales) y a dos direcciones ortogonales en ángulos de 90 o 45 grados (telas biaxiales). Dado que la orientación y cantidad de fibras de alta resistencia en la tela puede ser modificada para ajustarse a la aplicación estructural deseada, el material es normalmente anisotrópico (i.e., sus propiedades mecánicas son diferentes dependiendo del plano de carga). En este caso, la anisotropía representa una ventaja estructural, ya que permite al ingeniero diseñar telas con la resistencia requerida en la dirección más adecuada a sus necesidades de diseño.

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Figura 1: Comportamiento esfuerzo-deformación del acero y el FRP

Los materiales FRP exhiben comportamiento elástico lineal hasta la falla. La Figura 1 ilustra el comportamiento esfuerzo-deformación unitaria del los materiales FRP y también se observa que las deformaciones unitarias últimas de dichos materiales exceden considerablemente las deformaciones unitarias de fluencia del acero, lo cual permite conservar gran parte de la ductilidad presente en la estructura antes de su rehabilitación. De hecho, si el sistema de refuerzo FRP se diseña adecuadamente, la ductilidad de la estructura puede ser incrementada. Dependiendo del tipo de fibra de alta resistencia, su densidad y orientación, los esfuerzos de falla del FRP pueden exceder considerablemente los esfuerzos de falla del acero de refuerzo. Es importante hacer mención que ciertos fabricantes proporcionan tanto las propiedades mecánicas de las fibras como las del material compuesto y en ciertos casos, solo proporcionan las propiedades de las fibras. Por razones expuestas anteriormente, el ingeniero siempre deberá tener especial cuidado de no considerar las propiedades de las fibras como las propiedades de diseño del material compuesto. Por consiguiente, si no están disponibles las propiedades de diseño para el material compuesto, el ingeniero deberá obtenerlas de pruebas de laboratorio realizadas bajo especificaciones existentes de ASTM. Para mayor información al respecto se recomienda consultar el documento ACI 440.2R-08. CONSIDERACIONES ECONOMICAS Y DE MERCADO En la actualidad, existen empresas multinacionales que ofertan sus productos FRP en el mercado latinoamericano. Las telas con mayor disponibilidad comercial son las telas uni-axiales y biaxiales de fibras de vidrio y carbono. Dado que aun no existe en la industrial FRP una estandarización de las propiedades mecánicas de las telas, cada fabricante utiliza sus propias fórmulas que establecen la densidad y orientación de las fibras de acuerdo a sus propias limitaciones de manufacturación. Cada fabricante genera las fichas técnicas correspondiente a cada tipo de tela y resina epóxica que manejan en su inventario e incluyen propiedades mecánicas de diseño, procedimientos de mezclado de cada componente de la resina y procedimientos de instalación de la tela. Así mismo, algunas empresas ofrecen entrenamiento, certificación y supervisión a cuadrillas de instalación para maximizar el control de calidad de su sistema de refuerzo. Aunque los precios de venta de los productos FRP varían dependiendo de la empresa distribuidora, en la actualidad los precios unitarios del material suelen ser relativamente elevados comparados con los materiales constructivos tradicionales. Por ejemplo, el precio unitario del material para un sistema de refuerzo a base de telas de fibra de carbono y resinas epóxicas está dentro del rango de $100 a $130 dólares por metro cuadrado de tela, dependiendo de la densidad

0

200

400

600

800

0 0.01 0.02 0.03 0.04

FRP con fibras de carbono

Esfuerzo(M

Pa) FRP con fibras de vidrio

Acero

Deformación Unitaria


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de fibras de carbono que contenga la tela y los volúmenes requeridos de material. Para sistemas de refuerzo a base de telas de fibra de vidrio y resinas epóxicas, el precio se reduce en aproximadamente un 40%. Es importante mencionar que los primeros usos de los materiales FRP se llevo a cabo en la industria aeroespacial, ya que su relación resistencia-peso los hace ideales para la fabricación de aeronaves. Dado el estricto control de calidad que dicha industria ejerce sobre los procesos de manufactura de sus componentes estructurales, existían pocos proveedores de materiales FRP en el mercado internacional, lo cual obviamente impactaba en su precio de venta. Sin embargo, la apertura del mercado de la industria de la construcción y la relativa relajación de los controles de calidad en su proceso de manufactura, ha permitido la incorporación de un mayor número de proveedores, lo cual generado una reducción de los precios de venta de dichos materiales, haciéndolos más competitivos con los materiales constructivos tradicionales. En la actualidad se están incorporando al mercado proveedores de países asiáticos, especialmente de China; sin embargo, aun no han logrado producir materiales que cumplan con los controles de calidad que se imponen en la industria de la construcción en EEUU y Europa. Se espera que dicha limitante sea superada en el corto o mediano plazo, por lo que los precios del material tenderán a seguir bajando. No obstante actualmente los precios unitarios de los materiales FRP son relativamente elevados, los sistemas de rehabilitación y refuerzo a base de materiales FRP son ya una opción viable y competitiva dada la simplicidad y rapidez del procedimiento de instalación, así como la posibilidad de instalar el sistema sin generar disrupciones significativas en la funcionalidad de la estructura. Por ejemplo, se han realizado una gran cantidad de rehabilitaciones sísmicas de puentes y edificios sin tener que sacarlos de operación. Así mismo, se han realizado rehabilitaciones de tuberías de gran diámetro en plantas industriales y en redes de agua potable y drenaje en los tiempos de interrupción de servicio programados para mantenimiento. En efecto, cuando se ponderan los costos de pérdidas de actividad productiva, los costos de la mano de obra y los costos de mantenimiento de la rehabilitación (por ejemplo, protección anticorrosiva al acero) asociados a los proyectos de rehabilitación mediante métodos tradicionales, los métodos a base de sistemas FRP suelen ser ya más económicos. Como testimonio esta la existencia de miles de proyectos de rehabilitación y refuerzo que se han realizado en el mundo con materiales FRP. La mayoría de los proyectos de rehabilitación y refuerzo con materiales FRP se han realizado en países desarrollados, donde el costo de la mano de obra representa un porcentaje mayor en el costo total del proyecto que el observado en países en vías de desarrollo. Dado que los proyectos que consideran FRP normalmente exhiben costos menores en la mano de obra que los métodos constructivos tradicionales, el ahorro generado se ha considerado una ventaja competitiva. Dicha ventaja no es tan marcada en países donde la mano de obra es más barata; sin embargo, si continúan las tendencias a la baja de los precios de los materiales FRP, se espera que incremente significativamente en el corto plazo la cantidad de dichos proyectos realizados en países en vías de desarrollo. DESVENTAJAS DEL USO DE MATERIALES FRP Si bien las ventajas del uso de sistemas de refuerzo FRP son significativas, existen desventajas que el ingeniero debe considerar en su proyecto. Por ejemplo, las resinas epóxicas son susceptibles a degradación cuando están expuestas directamente a radiación ultravioleta. Por consiguiente, las superficies de FRP directamente expuestas a la luz solar deberán ser protegidas con recubrimientos (pinturas) que absorban dicha radiación. Así mismo, las resinas epóxicas también están expuestas a degradación cuando la temperatura ambiente excede los 60 grados Celsius. Aunque dicha temperatura no es factible a ser excedida por condiciones meteorológicas, si puede ser excedida en estructuras que alojan ciertos procesos industriales o si se presenta un incendio. En dichos casos, la superficie del FRP debe ser tratada con aislamiento térmico. Es importante hacer mención que el FRP no es un material propagador de flamas, de hecho, sus índices de propagación de incendio son equiparables a otros materiales constructivos como el block o ladrillo. Otra desventaja de los materiales FRP es su susceptibilidad a daño por abrasión, por lo que deberá protegerse con recubrimientos anti-abrasivos (por ejemplo, una capa de mortero)

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cuando se coloquen en superficies expuestas al tráfico humano o vehicular. Los materiales FRP también están expuestos al vandalismo; por ejemplo, daño con dispositivos punzocortantes, el cual puede ocurrir en estructuras abiertas como los puentes. Por consiguiente, las superficies FRP susceptibles a vandalismo deberán ser protegidas con capas de mortero u algún otro tipo de acabado que proporcione la protección deseada. Se recomienda consultar el documento ACI 440.2R-08 para mayor información sobre recubrimientos. DISEÑO DE REFUERZO ESTRUCTURAL A ELEMENTOS DE CONCRETO REFORZADO A

BASE DE MATERIALES FRP El material FRP se diseña solo para que resista la tensión. Por consiguiente, elementos estructurales sujetos a tensión directa o a tensión inducida por flexión, cortante o flexo-compresión son viables a ser reforzados con FRP. El FRP también puede ser usado para proveer confinamiento (como los estribos en columnas), lo cual permite incrementar la capacidad a compresión y la ductilidad del elemento estructural. Aunque se sabe que el FRP laminado tiene cierta resistencia a la compresión y al cortante directo, no existe suficiente información científica en la actualidad como para tomarla en cuenta en el diseño. Este documento está basado en las guías de diseño incluidas en la versión 2008 del ACI 440.2R editado por el American Concrete Institute y la versión 2007 del AC 125 editado por el ICC Evaluation Services. El AC 125 contiene relativamente poca información de diseño, pero incluye criterios de diseño para muros de cortante y estructuras de mampostería, los cuales no son considerados en el ACI 440.2R. El ACI 440.2R es un documento extenso con amplia información de diseño, pero solo considera elementos de estructuras de concreto reforzado y pre-esforzado. A continuación se presentan los aspectos más relevantes del AC 125 y ACI 440.2R. CONSIDERACIONES GENERALES DE DISEÑO Al igual que el ACI 318-05, el ACI 440.2R adopta la filosofía de diseño de estados límites. De hecho, el ACI 440.2R recomienda el diseño de sistemas de refuerzo a base de FRP de acuerdo a los requisitos de resistencia y funcionalidad del ACI 318 y establece criterios adicionales que son particulares a los materiales FRP. Dado a que el sistema de refuerzo FRP es susceptible a la falla por adherencia y/o a daños por vandalismo u otras causas, es deseable que la estructura sin reforzar posea un mínimo de resistencia para evitar el colapso de la estructura de ocurrir la falla del FRP. La siguiente ecuación establece el valor mínimo de resistencia: (��)�� ≥ (1.1�� + 0.75��)�� (1) Las cargas de servicio muertas y vivas usadas en la Ec. (1) deben ser las mismas a las que estará sujeta el elemento estructural cuando entre en operación después de aplicar el FRP. Si se espera que las cargas vivas de servicio mantengan su valor máximo por períodos prolongados de tiempo, como por ejemplos en bodegas y bibliotecas, el factor de carga de 0.75 debe cambiarse a 1.0. Si el sistema FRP está expuesto a temperaturas elevadas (que excedan 60 a 80 grados Celsius) las resinas epóxicas pueden exhibir degradación considerable de sus propiedades mecánicas. Aunque las fibras de carbono, vidrio, etc., definen la resistencia del FRP y dichas fibras requieren de temperaturas mucho más elevadas para presentar degradación en sus propiedades mecánicas, la degradación de la resina impacta a la resistencia de adherencia del FRP, afectando directamente al mecanismo de transferencia de carga del elemento estructural al FRP. Por consiguiente, se debe garantizar que el elemento estructural al menos pueda resistir las cargas de servicio (vivas y muertas) esperadas después de la aplicación del FRP. Esto se logra utilizando factores de carga de 1.0 en la Ec. (1), tanto para la carga viva como muerta.


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Las propiedades mecánicas del FRP más relevantes para el ingeniero son la resistencia última a la tensión, la deformación unitaria última y el módulo de elasticidad. Debido a que los valores de la resistencia y deformación unitaria última pueden verse afectados por condiciones ambientales, como ambientes excesivamente acídicos o alcalinos, exposición a rayos ultravioleta, etc., el ACI 440.2R considera un factor ambiental de reducción CE que toma en cuenta las condiciones de exposición (interior, exterior, ambientes químicamente agresivos) y el tipo de fibra (carbón, vidrio y aramid). En general, la fibra de carbón exhibe la mejor resistencia ambiental y la fibra de vidrio la menor (CE = 0.95 a 0.85 para fibras de carbono y CE = 0.75 a 0.50 para fibras de vidrio). Los valores corregidos de las propiedades mecánicas se obtienen de las siguientes ecuaciones: ffu = CEf

*fu (2)

εfu = CEε*fu (3)

Ef = ffu/εfu (4) Donde f

*fu y ε

*fu son los valores proporcionados por el fabricante del FRP de la resistencia última a

tensión y la deformación unitaria, respectivamente, y Ef es el módulo de elasticidad. REFORZAMIENTO A FLEXION El reforzamiento a tensión se logra colocando el FRP en la cara de tensión de elemento estructural con las fibras orientadas paralelas al eje longitudinal de dicho elemento. La ecuación general de diseño por flexión dada en ACI 318-05 es válida para este caso también: �� ≥ �� (5) Donde Mu es la suma de momentos factorizados considerando la combinación de carga aplicable según el ACI 318-05 y �� es el momento de diseño considerando el efecto del FRP (la ecuación se presenta más adelante). Se deben considerar los siguientes modos de falla al diseñar el reforzamiento a flexión:

a) Falla a compresión del concreto antes de la falla por fluencia del acero de refuerzo; b) Falla por fluencia del acero de refuerzo seguida por ruptura de la lámina de FRP; c) Falla por fluencia del acero de refuerzo seguido por falla a compresión del concreto; d) Falla por delaminación del recubrimiento del concreto debido a tensión y/o cortante y e) Falla por delaminación (desprendimiento) del FRP.

Las siguientes suposiciones se asumen válidas para calcular la capacidad a flexión de un elemento reforzado con FRP:

a) Las deformaciones unitarias en el acero de refuerzo, concreto y lámina de FRP se asumen directamente proporcionales a su distancia al eje neutro.

b) No existe desplazamiento relativo entre la lámina de FRP y la superficie a la que se adhiere.

c) Las deformaciones por cortante de las láminas de FRP son despreciables. d) El concreto falla a compresión al alcanzar una deformación unitaria de εcu = 0.003 e) La lámina de FRP falla a la tensión al alcanzar una deformación unitaria de εfu [ver Ec (3)]. f) El FRP exhibe comportamiento elástico lineal hasta alcanzar la falla.

Deformaciones Unitarias Relevantes en Láminas de FRP El FRP sufre desprendimiento en zonas alejadas de los puntos de terminación del FRP e inducidas por agrietamiento del concreto bajo una deformación unitaria de: �� = 0.083! �"#�$%�% ≥ 0.9�� en unidades de lb-plg (6)

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�� = 0.410! �"#�$%�% ≥ 0.9�� en unidades SI (7) Donde n es el número de láminas (capas) de FRP y tf es el espesor de una lámina de FRP. Una vez adherida la lámina de FRP a la superficie de tensión del elemento, las deformaciones unitarias en el FRP pueden calcularse mediante la siguiente expresión: �� = �(� )�%*(( + − �- ≤ �� (8) Donde df es la distancia desde la fibra extrema a compresión al centroide de la lámina FRP y c es la distancia desde la fibra extrema a compresión al eje neutro. εbi es la deformación unitaria inicial presente en la superficie antes de adherir la lámina de FRP. El valor de dicha deformación unitaria se determina mediante un análisis elástico de la sección del elemento estructural a reforzar, considerando las cargas presentes durante la instalación del FRP y las propiedades agrietadas de la sección. Factor de Reducción por Resistencia / Cuando se diseña el refuerzo FRP para flexión exclusivamente, se espera una reducción en la ductilidad del elemento estructural, aunque en algunos casos dicha reducción resulta despreciable. Sin embargo, para garantizar un nivel aceptable de ductilidad, las deformaciones unitarias en el acero de tensión deben ser de al menos 0.005 al presentarse la falla del concreto y/o el FRP. Siguiendo los criterios establecidos en el ACI 318, el factor � se condiciona al valor calculado de las deformaciones unitarias en el acero de tensión utilizando la siguiente expresión:

� = 00.9 1232 �� ≥ 0.0050.65 + 5.67(89*8:;)5.557*8:;0.65 1232 �� ≤ �<= 1232 �< < �� < 0.005 (9)

Donde εt y εsy son las deformaciones unitarias en el acero de tensión y la deformación unitaria de fluencia del acero, respectivamente. Condiciones de Servicio En elementos de concreto reforzado se debe evitar la deformación y agrietamiento excesivo. El efecto del FRP se puede determinar analizando la sección transformada. En este caso, la relación modular de interés es la del concreto con respecto al FRP (se transforma al FRP en área equivalente de concreto). Para evitar deformaciones inelásticas en elementos de concreto reforzado bajo cargas de servicio se recomienda limitar los esfuerzos de servicio a los siguientes valores: Acero de refuerzo: fS,S ≤ 0.80fy (10) Concreto: fC,S ≤ 0.45f’c (11) Esfuerzos Límites para Falla por Fatiga y Ruptura por Flujo en Láminas de FRP La ruptura por flujo ocurre cuando una lámina de FRP sujeta a carga constante por un período de tiempo prolongado falla a tensión a esfuerzos menores que su resistencia última. La falla por fatiga ocurre también a esfuerzos menores a la resistencia última después de un cierto período de tiempo, excepto que la naturaleza de la carga es cíclica. Las láminas FRP de fibras de carbono son las menos susceptibles y las de fibra de vidrio las más susceptibles a este tipo de fallas. El ACI 440.2R establece los siguientes límites para los esfuerzos en el FRP bajo carga sostenida de servicio más la carga cíclica de servicio: (a) para FRP a base de fibra de vidrio: 0.25ffu; (b) para


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FRP a base de fibras de aramid: 0.30ffu y (c) para FRP a base de fibras de carbono: 0.55ffu. Donde ffu esta dado por la Ec (2).

Figura 2 Distribución interna de deformaciones unitarias y esfuerzos de un elemento de concreto reforzado considerando el efecto del FRP

Resistencia Ultima a la Flexión de Secciones Rectangulares Simplemente Reforzadas Se presenta a continuación un proceso iterativo para calcular la resistencia a flexión considerando el refuerzo FRP. Todas las variables involucradas en el proceso pueden apreciarse en la Figura 2.

(1) Asuma un valor para la profundidad del eje neutro: ci

(2) Calcule la deformación unitaria en el FRP: �� = �(� )�%*(?(? + − �- ≤ �� (3) Calcule el esfuerzo en el FRP: ffe = Efεfe (12)

(4) Calcule la deformación unitaria en el acero: � = (�� + �-) @ �*(?�%*(?A (13)

(5) Determine el esfuerzo en el acero: Si εs ≥ εsy entonces fs = fy Si εs < εsy entonces fs = Esεs (14)

(6) Determine la profundidad del eje neutro: B = C:�:DC%�%EFG�#HIG- (15)

Los valores de α1 y β1 son parámetros que dependen de la distribución de esfuerzos asumida para el concreto en la zona de compresión. Si se asume que aplica el bloque equivalente de esfuerzos de Whitney, entonces α1 = 0.85 y el valor de β1 depende del valor de f’c: Para f’c ≤ 4000 psi (280 kg/cm

2): β1 = 0.85

Para 4000 psi (280 kg/cm2) < f’c < 8000 psi (560 kg/cm

2):

β1 = 1.05 – 0.00005f’c para unidades lbs-plg (16) β1 = 1.09 – 0.008f’c para unidades SI (17) Para f’c > 8000 psi (560 kg/cm

2): β1 = 0.65

(7) Si c ≠ ci volver al paso (1). Iterar entre (1) y (6) hasta lograr convergencia aceptable. (8) Calcular capacidad nominal a flexión del elemento estructural reforzado con FRP:

�� = JK )L − IG(6 + + MNJ�K�� )L� − IG(6 + (18) La segunda parte de la Ec (18) representa la contribución del FRP a la capacidad nominal a flexión del elemento estructural. El factor MN es un factor de reducción de resistencia del FRP y el ACI 440.2R recomienda un valor de MN = 0.85 para este caso.

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Figura 3 Distribución elástica de deformaciones unitarias y esfuerzos

(9) Calcular los esfuerzos bajo cargas de servicio en el acero de fuerzo y el FRP (ver Figura 3)

O = !(�:C:�D�%C%�)PD6(-�P)(�:C:�D�%C%�%)*�(�:C:D�%C%)-�P (19)

K, = R�:D8S?C%$%)�%*TUV +W(N*X)�$:C:$:�P)N*TV+(N*X)DC%$%)�%*TUV +(�%*X�) (20) K�. = K, )$%$: + )�%*X��*X� + − �-Y� (21) Donde nf = Ef/Ec y ns = Es/Ec son las relaciones modulares del FRP y acero, respectivamente, y Ms es el momento flexionante máximo debido a todas las cargas sostenidas (cargas muertas mas la porción sostenida de la carga viva).

(10) Revisar si el valor de ff.s cumple el valor máximo permisible para evitar ruptura por flujo o falla por fatiga. Revisar si fs,s ≤ 0.80fy.

REFORZAMIENTO A CORTANTE El reforzamiento a cortante se logra colocando las láminas de FRP con las fibras orientadas perpendicular al eje longitudinal del elemento estructural. Las láminas pueden envolver totalmente al elemento o colocarse solamente en ciertas caras, dependiendo de la accesibilidad. Por ejemplo, la Figura 4 ilustra disposiciones típicas de láminas para vigas de piso; evidentemente la losa obstruye el acceso a la cara superior, dejando la opción de colocar las láminas en tres o dos caras. Sin embargo, para columnas, las cuatro caras estarán usualmente accesibles. Las láminas pueden colocarse en patrones continuos o a intervalos. No se recomienda usar patrones continuos si se colocarán las láminas en las cuatro caras, ya que el FRP es una barrera de humedad y podría causar daños al concreto en climas fríos al congelarse la humedad atrapada. La resistencia de diseño del refuerzo a cortante se determina utilizando la misma expresión contemplada en ACI 318-05: �Z� ≥ Z� (22) Donde Vu es el valor del cortante máximo bajo la combinación de cargas factorizadas aplicables al caso y �Z� es la resistencia de diseño por cortante que considera la participación del FRP: �Z� = �(Z( + Z + M�Z�) (23)


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Figura 4 Patrones típicos de colocación del FRP como refuerzo a cortante

Donde M� = 0.95 cuando las láminas de FRP envuelven la totalidad del elemento estructural y M� = 0.85 cuando las láminas de FRP se colocan en tres o dos caras del elemento. El ACI 318-05

establece � = 0.85 para diseño por cortante. Las contribuciones a la resistencia al cortante del concreto Vc y del acero de refuerzo transversal (estribos) Vs se calculan con las expresiones dadas en el ACI 318-05 y no se repiten aquí. La contribución a la resistencia a cortante del FRP se calcula mediante la siguiente expresión:

Z� = C%[�%E(��FD(\F)�%[% (24)

Donde los parámetros α, dfv, sf y wf se ilustran en la Figura 5 y: Asf = 2ntfwf (25) ffe = εfeEf (26) Se asume implícitamente en el uso de la Ec (25) que independientemente del patrón de colocación de las láminas de FRP, siempre se colocará FRP en al menos dos caras del elemento estructural paralelas a la acción de la fuerza cortante. Por ejemplo, en el caso de las vigas de piso, serían las caras verticales. En la mayoría de los casos, se espera que las fibras del FRP sean colocadas paralelas al eje longitudinal del elemento (α = 90 grados), por lo que la Ec (24) se simplifica a:

Z� = C%[�%E�%[% (24a)

Determinación de la Deformación Unitaria Efectiva en el FRP La deformación unitaria efectiva εef es el máximo valor de la deformación unitaria que puede alcanzar el FRP y depende del tipo de falla a cortante que puede presentarse en el elemento. Para elementos totalmente envueltos en FRP, se ha observado que la degradación de la resistencia a fricción en el agregado del concreto dentro de las grietas de cortante ocurre antes que el FRP alcance εfu. Por consiguiente, en este caso, la deformación unitaria en el FRP se limita a: εfe = 0.004 ≤ 0.75εfu (27) Para los casos donde el FRP se coloca solamente en dos o tres caras, se ha observado que el FRP tiende a desprenderse (falla por adherencia) antes de que ocurra la degradación de la resistencia a fricción del agregado. En este caso, la deformación unitaria en el FRP se limita a:

�� = ]�� ≤ 0.004 (28) Donde ]� es el coeficiente de reducción por adherencia del FRP, el cual depende del patrón de colocación del FRP, de la resistencia a compresión de concreto y la rigidez de la lámina de FRP y esta dado por:

]� = XGXPÊ_à8%b ≤ 0.75 en unidades lbs-plg (29a) ]� = XGXPÊNNc558%b ≤ 0.75 en unidades SI (29b)

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Figura 5 Variables dimensionales relevantes de diseño para refuerzo FRP a cortante

Donde Le es la longitud de la lámina de FRP en donde se mantiene la mayoría del esfuerzo de adherencia. Esta longitud se calcula mediante la siguiente expresión:

d� = 6755(��%$%)e.fg en unidades lbs-plg (30a)

d� = 6hh55(��%$%)e.fg en unidades SI (30b)

El coeficiente k1 toma en cuenta la resistencia a compresión del concreto y el coeficiente k2 toma en cuenta el patrón de colocación del FRP y están dados por:

ON = ) �#H_555+6/h en unidades lbs-plg (31a)

ON = )�#H6j+6/h en unidades SI (31b)

O6 = 0�%[*^E�%[ 1232 k�l BmnmB2Lm op q3or B232r�%[*6^E�%[ 1232 k�l BmnmB2Lm op Lmr B232r = (32)

El ACI 440.2R recomienda que la separación centro a centro entre láminas de FRP no exceda a d/4 + wf y refiere al lector al ACI 318-05 para los requisitos adicionales de separación del refuerzo. Deben observarse también los límites máximos establecidos por el ACI 318 para la contribución del refuerzo a resistir el cortante:

Z + Z� ≤ 8sK("tuL en unidades de lbs-plg (33a) Z + Z� ≤ 0.66sK("tuL en unidades SI (33b) Es importante mencionar que en algunas ocasiones el refuerzo a cortante de FRP es requerido como consecuencia del refuerzo a flexión con FRP, ya que el incremento en la resistencia a flexión generado por el FRP puede inducir a que primero ocurra la falla por cortante. Dado que la falla por cortante es de naturaleza frágil y repentina, el ingeniero deberá siempre constatar que la resistencia a cortante del elemento existente sea la requerida para resistir el incremento en la capacidad de carga generado por el refuerzo a flexión del FRP. Refuerzo a Cortante en Muros El ACI 440.2R (edición 2008) no contempla actualmente el refuerzo FRP por cortante en muros. Dicho refuerzo puede ser requerido para incrementar la capacidad de muros de cortante existentes o para convertir en muros de cortante a muros que originalmente no tenían contemplada dicha función. A continuación se presentan las ecuaciones del ICC AC 127 para determinar la contribución del FRP a la resistencia nominal a cortante en muros:


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Si el FRP se coloca en ambas caras del muro: Vf = 2tfffeHsen2θ (34)

ffe = 0.004Ef ≤ 0.75ffu (35) Si el FRP se coloca solamente en una cara del muro: Vf = 0.75tfffeHsen

2θ (36)

ffe = 0.0015Ef ≤ 0.75ffu (37) Donde H representa la dimensión del muro paralela a la acción de la fuerza cortante, θ es el ángulo de la orientación de las fibras del FRP con respecto al eje del muro. Es importante mencionar que el AC 125 establece que la Ec (35) es válida solamente si el muro se encuentra totalmente confinado por el FRP; es decir, que el FRP está adherido a las cuatro caras del muro. En términos prácticos, eso implica que el valor de ffe deberá ser calculado mediante la Ec (37) también para el caso donde el FRP se coloca en dos caras, ya que normalmente las caras que corresponden al espesor del muro no están accesibles. Dado que el cortante en muros de cortante genera predominantemente grietas diagonales, el ACI 318-05 establece el uso de acero vertical y transversal para interceptar dichas grietas. Por consiguiente, se recomienda el uso de FRP con orientación biaxial de fibras (telas FRP con fibras en orientaciones ortogonales) para generar el mismo efecto. El anclaje del FRP es otro aspecto importante que debe considerarse en el refuerzo de muros de cortante, ya que debe existir una transferencia adecuada del cortante entre los muros y los diafragmas de piso. Debido a que actualmente se desprecia la capacidad a cortante directo del FRP, la transferencia del cortante entre muros y pisos debe el diseño del anclaje apropiado que evite que el FRP quede expuesto a cortante directo. Actualmente (año 2008) el comité que editó el ICC AC 125 se encuentra evaluando la compatibilidad de sus criterios con los establecidos en el ACI 440.2R. Se recomienda que mientras se publican los resultados de dicha evaluación se use las Ecs (22) y (23) para determinar la resistencia a cortante de diseño de los muros. En dicho caso, se substituye la Ec (34) o (35) en lugar de la Ec (24). REFUERZO A COMPRESION AXIAL Aunque el ACI 440.2R no reconoce la resistencia a compresión axial del FRP para propósitos de diseño, se puede lograr un incremento en la resistencia a compresión en el concreto mediante el efecto de confinamiento del FRP. En este caso el FRP se coloca con las fibras orientadas perpendicular al eje longitudinal del elemento estructural. Utilizando los criterios establecidos en el ACI 318-05, el ACI 440.2R propone las siguientes expresiones para el cálculo de la resistencia de diseño a compresión axial considerando la contribución del FRP:

Para elementos con refuerzo transversal en espiral: �l� = 0.85�[0.85K((" wJx − Jy + K<J] (38a) Para elementos con refuerzo transversal de estribos: �l� = 0.85�[0.85K((" wJx − Jy + K<J] (38b) Donde � = 0.70 para columnas con refuerzo en espiral y � = 0.65 para columnas con refuerzo de estribos. La resistencia a compresión del concreto tomando en cuenta el efecto de confinamiento del FRP está dada por la siguiente expresión: K((" = 3.3M�]�K{ (39) Donde M� = 0.95, ]� es un factor de eficiencia de confinamiento que depende de la geometría de la

columna:

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Figura 6 Area de confinamiento efectiva para columnas con sección rectangular

Para columnas de sección circular: ]� = 1 Para columnas rectangulares de sección h x b: ]� = )CEC#+ )-|+6

(40)

Donde Ae/Ac define la relación entre el área de la sección de la columna efectivamente confinada por el FRP y el área de la sección de la columna sujeta a compresión (ver Figura 6):

CEC# = N*})S~+(~�P�#)P�)~S+(S�P�#)P�V�� *��N*�� (41)

Donde Ag es el área bruta de la sección de la columna, rc es el radio de curvatura de la esquina redondeada de la columna y ρg es la relación de refuerzo longitudinal. El esfuerzo de confinamiento del FRP fl está dado por la siguiente expresión:

K{ = 6$%��% 8%E� ≥ 0.08K(" (42) Donde D es el diámetro si la columna tiene sección circular y es igual a la siguiente expresión si la columna tiene sección rectangular:

� = √t6 + ℎ6 (43) El ACI 440.2R recomienda considerar εfe = 0.55εfu para tomar en cuenta fallas prematuras del FRP debido a estados de esfuerzo multiaxiales (que difieren del estado de esfuerzo uniaxial usado para determinar εfu) y/o debido a concentraciones de esfuerzos causados por el agrietamiento del concreto al ocurrir la expansión lateral de la sección transversal producto de la carga axial. Es de fundamental importancia que fl ≥ 0.08f’c, ya que garantiza que f’cc ≥ f’c. Obviamente, si f’cc no excede a f’c entonces el efecto de confinamiento del FRP es nulo. Por consiguiente, si fl < 0.08f’c se recomienda incrementar n (número de capas o láminas de FRP) hasta lograr que fl > 0.08f’c. La deformación unitaria última en el concreto al alcanzar f’cc está dada por la siguiente expresión:

�((� = �(" }1.50 + 12]- )��#H+ )5.778%b8#H +5._7� ≤ 0.01 (44)


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Donde ]-es un factor que depende de la geometría de la sección transversal. Para secciones circulares ]- = 1.0 y para secciones rectangulares:

]- = )CEC#+ )|-+5.7 (45)

Donde Ae/Ac está dada por la Ec (41). ε’c es el valor de la deformación unitaria en el concreto al alcanzar f’c y el ACI 440.2R recomienda usar ε’c = 0.002. El ACI 440.2R recomienda limitar el valor de εccu a 0.01 para evitar agrietamiento excesivo que pueda comprometer la integridad del concreto. Consideraciones de Servicio Cuando la carga axial en la columna alcanza valores cercanos a la carga axial factorizada, el concreto muy probablemente presentará agrietamiento considerable en la dirección radial. El FRP mantendrá la integridad de la columna mediante el efecto de confinamiento. Sin embargo, este tipo de agrietamiento debe ser evitado cuando la carga axial es producto de cargas de servicio. El ACI 440.2R recomienda para tal efecto, que el esfuerzo de servicio a compresión del concreto no exceda a 0.65f’c. Así mismo, el ACI 440.2R recomienda que el esfuerzo de servicio a compresión en el acero longitudinal de refuerzo no exceda a 0.60fy para evitar deformaciones plásticas bajo cargas cíclicas. También se debe verificar que los esfuerzos de servicio en el FRP no excedan los valores límites estipulados para evitar la falla de fatiga o ruptura por flujo. CONSIDERACIONES ADICIONALES El ACI 440.2R contiene también estipulaciones para determinar el refuerzo FRP a flexocompresión y tensión axial de elementos estructurales. Así mismo, el ACI 440.2R contiene estipulaciones referentes al detallado del refuerzo FRP, como son longitudes de anclaje en los puntos de terminación de la lámina de FRP. La longitud de anclaje debe basarse en la longitud de desarrollo requerida para desarrollar los esfuerzos efectivos ffe, la cual puede ser calculada por la siguiente expresión:

n�� = 0.057��$%�%!�#H para unidades en lbs-plg (46a)

n�� = ��$%�%!�#H para unidades en lbs-plg (46b) Para mayor información de estas y mas consideraciones adicionales, se recomienda consultar el ACI 440.2R.

PROYECTOS DE REFORZAMIENTO ESTRUCTURAL CON TELAS FRP

Se describen brevemente a continuación algunos proyectos terminados de reforzamiento y/o rehabilitación estructural de edificios e infraestructura, donde los autores participaron como directores del diseño e instalación del sistema FRP. Edificio McKinley, Anchorage, Alaska Este es un edificio de 14 pisos de concreto reforzado (ver Figura 7a), el cual es el edificio más alto que resistió el sismo de mayor magnitud ocurrido en Norteamérica en 1964 (magnitud 9.2 en la

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escala de Richter). El edificio experimentó varios intentos de rehabilitación sísmica desde la ocurrencia del sismo, que incluyeron desde resanes de grietas hasta la total rehabilitación de la cimentación y el inició con la construcción de muros de cortante adicionales en el interior. Sin embargo, dichos intentos fueron siempre abandonados debido a los altos costos involucrados y el edificio se mantuvo abandonado por décadas.

(a) (b)

(c) Figura 7 Edificio McKinley: (a) Vista general durante la rehabilitación; (b) Generación de muros de cortante usando FRP de fibra de vidrio y (c) Generación de muros de cortante usando FRP de fibra de carbono y detalles de anclaje para transferencia de cortantes entre muro y diafragma de piso

El proyecto de rehabilitación con FRP resultó ser una opción mucho más económica que los métodos tradicionales intentados anteriormente. El proyecto incluyó la transformación de los muros perimetrales en muros de cortante mediante el uso de telas FRP de fibra de vidrio o carbono, dependiendo de la magnitud de los cortantes a ser resistidos. Esto permitió suspender la construcción de muros de cortante interiores. La Figura 7b ilustra el uso de FRP de fibra de vidrio para muros y la Figura 7c ilustra el sistema de anclaje para transmitir los cortantes entre el muro y el diafragma de piso. También se usaron telas FRP de fibra de vidrio para proveer confinamiento a las columnas para incrementar su ductilidad y capacidad a compresión axial. El proyecto de rehabilitación se terminó en el 2005 y se instalaron más de 3700 m

2 de tela FRP en

ocho semanas, utilizando dos cuadrillas de cuatro hombres cada una. El proyecto recibió el Premio 2006 de Excelencia en Diseño del ICRI (Instituto Internacional de Reparación del Concreto).


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Hotel Allison, Miami, Florida Este es un edificio de 8 pisos de concreto reforzado ubicado frente al mar (ver Figura 8). El proyecto original incluía la demolición total del edificio para construir un edificio de condominios de lujo de 10 pisos; sin embargo, el ayuntamiento local impidió la demolición al considerarlo patrimonio histórico de la ciudad. Por consiguiente, el edificio fue incorporado al proyecto y se consideró la construcción de dos pisos adicionales. Una inspección estructural detectó que el concreto en un gran número de las columnas presentaba resistencia a compresión significativamente menor al valor de diseño. Así mismo, la construcción de dos pisos adicionales incrementaba significativamente la carga axial en dichas columnas. Métodos tradicionales de refuerzo como el incremento del armado y sección transversal de las columnas fueron rechazados por el arquitecto debido a que ocasionaría una pérdida considerable de espacio interior. Se optó mejor por usar el efecto de confinamiento de la tela FRP de fibra de carbono para incrementar la capacidad a carga axial de las columnas. Cada columna presentaba combinaciones únicas de requerimientos de incremento de la capacidad a carga axial y baja resistencia a compresión del concreto, por lo que se generaron diseños únicos para cada columna.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 8 Hotel Allison: (a) Vista general durante la rehabilitación; (b) Rehabilitación de columnas del lobby; (c) Rehabilitación de columnas exteriores y (d) Rehabilitación de columnas interiores.

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En total se rehabilitaron 183 columnas con capas de FRP que variaban de dos a siete. Dado que cada capa de FRP incrementa las dimensiones de la sección en aproximadamente un milímetro, el incremento de las dimensiones de la columna resultó despreciable. En total se instalaron más de 3200 m

2 de FRP en seis semanas utilizando dos cuadrillas de cuatro hombres cada una.

Planta Generadora PNM, Farmington, Nuevo México Esta planta cuenta con cuatro unidades de generación de energía eléctrica y provee cerca de 1800 mega watts de electricidad a los estados de California, Arizona y Nuevo México. Una red subterránea de tubería de gran diámetro conduce agua de un lago artificial a las unidades, donde es convertida en vapor a alta presión, el cual es usado para activar las turbinas. El vapor es condensado al salir de las turbinas para obtener nuevamente agua, la cual es conducida por la red hasta torres de enfriamiento y de ahí otra vez al lago, completando un ciclo. La red que conduce agua de las unidades a las torres de enfriamiento está compuesta de tubos prefabricados de concreto de 3.05 metros de diámetro. Al llegar a la base de las torres, tubos de acero de 1.22 metros conducen el agua desde la base hasta la parte superior de las torres. Con el uso, los tubos de concreto se agrietan, exponiendo el acero de refuerzo de los tubos de concreto a corrosión. Obviamente, la corrosión ataca también a los tubos de acero. Con el tiempo, la corrosión consume al acero hasta llegar a comprometer la integridad estructural de los tubos.

(a) (b)

(c) (d)

Figura 9 Rehabilitación de Tubería en la Planta PNM: (a) Preparación de la superficie de concreto antes de la colocación del FRP (se observa equipo de instalación del FRP); (b) Instalación del FRP en tubo de concreto de 3.05 metros de diámetro; (c) Instalación de FRP en tubo vertical de acero de 1.22 metros de diámetro y (d) Aplicación de acabado epóxico con tinte para proteger y ocultar el FRP y minimizar fricción con el flujo de agua.


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Dado que es extremadamente costoso sacar de servicio una unidad generadora exclusivamente para excavar y reemplazar los tubos dañados, las reparaciones tienen que hacerse cuando la unidad es sacada de servicio para actividades programadas de mantenimiento. El tiempo asignado a mantenimiento suele muy corto (alrededor de un mes), por lo que si se usan métodos tradicionales de reparación (como el encamisado con placas de acero), las porciones de tubo que se pueden reparar durante el período de mantenimiento son muy pequeñas. El uso de FRP de fibra de carbono fue presentado como una solución viable para reparar el daño por corrosión. Dada las restricciones en el tiempo de aplicación se diseñaron telas FRP especiales que reemplazaban la función del refuerzo en direcciones longitudinales y transversales del tubo con una sola lámina, evitando así tener que considerar varias capas de FRP. Se diseñaron equipos de instalación especial desmontables que podían ser introducidos por las escotillas de acceso a los tubos y posteriormente armados dentro del tubo. Dichos equipos permitieron colocar franjas de FRP de 1.30 metros de ancho y 10.5 metros de largo con un solo traslape en la parte inferior del tubo. Más de 2500 m

2 de tubo de concreto (cerca de 260 metros lineales de tubo) fueron

rehabilitados con 2 cuadrillas de 5 hombres cada una en 3 semanas (ver Figuras 9a y 9b). Cuatro tubos verticales de acero de 1.22 metros y aproximadamente 20 metros de alto fueron también rehabilitados con FRP de fibra de carbono. En este caso, dado que el contacto directo entre el carbono y el acero generan corrosión galvánica, se colocó primero una capa delgada de tela de fibra de vidrio para evitar dicho contacto. El andamiaje para la colocación de la tela FRP se suspendió con cables de la parte superior del tubo, ya que la parte inferior presentaba un codo de 90 grados para la conexión del tubo de acero al tubo de concreto de gran diámetro. Dada la complejidad del trabajo de instalación en un espacio tan confinado, se destinó una cuadrilla de dos hombres cada una para rehabilitar cada tubo. Se colocaron más de 75 m

2 de FRP de fibra de

carbono por tubo, más una cantidad similar de tela de fibra de vidrio como barrera de corrosión galvánica. La instalación completa se llevó 3 semanas (ver Figura 9d). Este proyecto se realizó totalmente dentro del período de mantenimiento y representó una solución a largo plazo, ya que substituyó con FRP las funciones del acero y el FRP no está sujeto a corrosión. Así mismo, solo se redujo el diámetro de la tubería en un par de milímetros, lo cual representa un impacto nulo en la capacidad de conducción de agua. El proyecto recibió el Premio 2008 de Excelencia en Diseño del ICRI. Rehabilitación de Puentes Diversos La rehabilitación de puentes en los casos que se presentan a continuación fue para reparar daños por corrosión. En uno de los casos (ver Figura 10a) las bajantes pluviales no fueron colocadas, por lo que el agua, juntos sales de deshielo dañaron severamente el concreto hasta exponer el acero de refuerzo transversal, el cual fue dañado por corrosión. Una vez que el contratista general reparó el concreto, hasta restituir la sección original, se diseñó el FRP para substituir el refuerzo transversal, incrementando simultáneamente la ductilidad de las columnas. Debido a que el FRP es una barrera de humedad y no está sujeto a corrosión, la solución dada fue de largo plazo. En otro caso (ver Figura 10b), errores constructivos generaron una capa de recubrimiento muy delgada en las columnas del puente. Con el tiempo, el recubrimiento se desprendió exponiendo al acero transversal a corrosión. La corrosión fue lo suficientemente severa como para considerar la demolición de ciertas columnas, lo cual implicaba sacar al puente de operación por un plazo de tiempo considerable. Se rehabilitaron las columnas con el puente operando y diseñando al FRP para restituir el acero transversal perdido por corrosión. En el último caso (ver Figura 10c) se observa un puente sobre agua donde existe un tráfico relativamente intenso de yates por debajo y automóviles por arriba. La marea de mar genera períodos cíclicos de mojado y secado en una zona baja de las columnas que expone a corrosión severa al acero de refuerzo. El FRP se diseño para restituir el acero perdido por corrosión y se

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instaló con una resina epóxica especial que fragua bajo el agua. El puente estuvo abierto todo el tiempo al tráfico de automóviles.

(a) (b)

(c)

Figura 10 Rehabilitación de puentes dañados por corrosión y donde el FRP se utilizó para restituir el acero dañado: (a) Rehabilitación de un puente donde la corrosión fue ocasionada por bajantes pluviales deficientes; (b) Rehabilitación de un puente donde la corrosión fue ocasionada por la falta de recubrimiento adecuado de concreto y (c) Rehabilitación de un puente donde la corrosión fue ocasionada por el efecto de la marea del mar.

CONCLUSIONES Como se puede apreciar en este artículo, existen ya guías de diseño relativamente completas para el diseño de sistemas de refuerzo a base de FRP, las cuales se fundamentan en criterios ya bien establecidos del diseño de elementos de concreto reforzado. Así mismo, los proyectos concluidos de rehabilitación aquí mencionados permiten constatar que dichos sistemas presentan importantes ventajas sobre los métodos de rehabilitación más tradicionales. Por consiguiente, es de esperarse que con la tendencia a la baja de los precios de los materiales FRP, la necesidad siempre presente de rehabilitación de edificaciones e infraestructura, un cuerpo cada vez más extenso de investigación científica y tecnológica sobre aplicaciones estructurales del FRP y la publicación de


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documentación de diseño detallada, que el uso del FRP será cada vez mayor tanto en países desarrollados como en vías de desarrollo. Dada las ventajas inherentes que presenta el FRP para amoldarse a geometrías complicadas y a espacios reducidos, a su ligereza y alta resistencia, es evidente que aun no se conocen todas las aplicaciones potenciales de esta tecnología. De hecho, el rango de dichas aplicaciones solo está limitado por la imaginación del ingeniero.

BIBLIOGRAFIA

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4. Ehsani, M., y Peña, C.E., “Internal Strengthening of Prestressed Concrete Cylinder Pipe (PCCP) with Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP), Proceedings of the 2008 No Dig Conference, Moscú, Rusia.

5. AC 125, “Acceptance Criteria for Concrete and Reinforced and Unreinforced Masony Strengthening using Externally Bonded Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Composite Systems, ICC Evaluation Service, Inc., 2007.

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