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El material del futuro ...

La fibra de carbono se desarrolló inicialmente para la industria aeronáutica y espacial, pero se ha extendido a otros campos donde tiene muchas aplicaciones.

En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono. Se fabricaban mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Este proceso resultó ser ineficiente. Las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono y tenían malas propiedades de fuerza y de rigidez.

En la década de 1960, continuaron las investigaciones obteniendo fibras que contenían hasta un 55% de carbono. Fue la empresa Rolls-Royce quien continuaría las investigaciones para conseguir materiales más ligeros y resistentes para la industria aeronáutica. Pero sus intentos no verían el éxito. Entrada la década de los 70, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de la transformación del petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión.

La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono ordenados en un patrón regular hexagonal. La diferencia está en la manera en que esas hojas se entrecruzan. Se colocan al azar, juntas. Esta integración de las láminas es responsable de su alta resistencia.

Es un material ligero y elástico y tiene una alta resistencia mecánica. Posee una alta fortaleza ante agentes externos, una gran capacidad como aislante térmico y conserva su forma ante variaciones de temperatura.

Delaminación, un factor determinante en el diseño a flexión...

En el día a día, encontramos que existen variaciones de tipo constructivas o de uso, que llevan al ingeniero estructural a tomar la decisión de incrementar la resistencia de una edificación. Entre ellas tenemos, por ejemplo, deficiencia del acero de refuerzo en los elementos que conforman la estructura o un aumento de las cargas de servicio.

Comúnmente para absorber la solicitación extra, se opta por el aumento volumétrico de las secciones de hormigón, o el adosamiento de planchas de acero en el caso de elementos estructurales conformados por este material. Este último procedimiento es aplicable también a estructuras de concreto armado, mediante el uso de conectores de corte o productos epóxicos compatibles con ambos sustratos base. Esta acción es el preámbulo al uso de materiales compuestos de refuerzo, vinculados externamente a las piezas solicitadas.

Al momento de reforzar externamente una estructura de hormigón armado, existe un factor determinante en el diseño y aplicación del sistema que incrementará su resistencia ante las solicitaciones impuestas, siendo la delaminación o debonding, el mecanismo de falla clave al momento de proyectar el uso de la fibra de carbono.

El desempeño de la interface CFRP – hormigón posee una importancia crucial al momento de transferir los esfuerzos que circulan en el refuerzo.

En vigas de hormigón armado externamente reforzadas para soportar flexión, la delaminación se expresa físicamente como el flujo de corte existente en la zona de interface fibra de carbono – hormigón. Esta distribución de tensiones, que parte desde el centro de la viga, se distribuye longitudinalmente a lo largo de la pieza hacia los extremos, desprende el refuerzo externo en la zona donde finaliza el sistema CFRP – matriz epóxica, y regresa desgarrando el recubrimiento de hormigón que embebe al acero longitudinal de la viga. Es una falla de tipo explosiva, no posee un mecanismo paulatino que permita detener el avance de los esfuerzos que lo ocasionan.

Adicionalmente a lo que se comentó en el párrafo anterior, existe otro factor que puede gatillar este fenómeno, el cual es la preparación de superficie.

Es importante que el pulido, reparación y limpieza del hormigón sea el adecuado (debe tener al menos un índice de rugosidad CSP3) y así garantizar que el proceso de adherencia entre el CFRP y el hormigón sea el correcto.

Los códigos de diseño que rigen la aplicación de los sistemas de refuerzo externos en base a FRP reconocen la deficiencia de los mismos para alcanzar su resistencia última debido a la separación del material compuesto del sustrato base, el debonding. Con el fin de controlar la aparición de esta falla la normativa limita la deformación máxima que puede ser aplicada sobre el refuerzo estructural. Es por ello que diversos investigadores han propuesto anclar los pliegos de CFRP al hormigón, para aumentar la deformación máxima en la fibra antes de que ocurra la delaminación. El efecto de esta acción aún no es comprendido de manera cabal.

Discusión Bibliográfica acerca de la delaminación.

El desprendimiento del refuerzo, ha sido un fenómeno de estudio a lo largo de los años. Pese a las mejoras que han existido en cuanto al grado de penetración del material epóxico en el sustrato base, aún no se ha logrado compatibilizar de mejor manera las deformaciones entre el hormigón y la matriz epóxica.

Anteriormente a la idea del uso de conectores, se han adherido pliegos de CFRP orientados en una dirección ortogonal a la del esfuerzo principal que afecta la pieza de hormigón armado, con el fin de brindar un vínculo adicional que absorba el desprendimiento del refuerzo con fibra de carbono.

Kotynia et al. (2008) presentan resultados experimentales y un análisis numérico de una viga de hormigón armado (HA) reforzada a flexión con diferentes configuraciones de CFRP. El objetivo del trabajo experimental era investigar los parámetros que pueden retrasar la aparición de las grietas de flexión en la viga, y a su vez aumentar la capacidad de carga del elemento.

Se ensayaron diez especímenes de HA, rectangulares, con una distancia libre entre apoyos de 4.2 m, categorizados en dos series con el fin de evaluar el efecto del uso de los sistemas CFRP en forma de U y de L, adicionales al refuerzo clásico dispuesto para soportar el esfuerzo de flexión.

Complementariamente a las pruebas en laboratorio, se ejecutó un análisis numérico utilizando un modelo de elementos finitos 3D incremental, no lineal, controlado por desplazamiento. Este modelo fue desarrollado para investigar la flexión de la viga y la respuesta en la interface de contacto hormigón – matriz epóxica.

Al-Sammari y Breña (2018), muestran los resultados de una simulación detallada hecha con elementos finitos en donde se analiza este fenómeno. Estos modelos fueron usados para investigar el efecto de los anclajes como parámetros claves en la resistencia última del sistema de CFRP.

Los parámetros considerados por estos investigadores incluyen los siguientes:

• Número de anclajes instalados en el pliego de fibra de carbono.

• Distancia entre anclajes.

• Profundidad de empotramiento de los anclajes.

• Diámetro del anclaje.

• Ángulo de instalación del anclaje en la viga.

• Ángulo de abertura del abanico que revestirá la fibra de carbono.

Al-Sammari y Breña (2018) modelaron mediante elementos finitos cada una de las variables mencionadas anteriormente. Los resultados obtenidos muestran que solamente se puede alcanzar un 62% de la capacidad resistente que puede desarrollar la fibra de carbono cuando no se usan los conectores.

El análisis de estos factores demostró que el uso de los anclajes no detiene el accionar de la delaminación, pero sí retrasa la separación total del pliego de CFRP del sustrato base ante cargas últimas.

El modelo de elementos finitos fue construido representando las propiedades del hormigón, el CFRP, el epóxico de adherencia y el anclaje. La mayoría de los estudios realizados anteriormente han centrado su foco en vincular los materiales mediante modelos bidimensionales (Lu et al., 2005, Martinelli et al. 2011). Este tipo de procedimientos falla al momento de capturar los esfuerzos y sus variaciones a lo largo y ancho del refuerzo externo, adicionalmente es muy complejo estudiar la influencia de los vínculos (anclajes de CFRP) en base al comportamiento esfuerzo – deformación en las zonas circundantes a su posición de instalación.

Propiedades y fundamentos del sistema de refuerzo estructural.

El sistema de refuerzo estructural con fibra de carbono, se compone de dos materiales fundamentales, los cuales al trabajar en conjunto alcanzan a desarrollar una resistencia excepcional a diferentes solicitaciones (según se disponga la orientación del refuerzo).

Estos elementos son:

Matriz polimérica o matriz epóxica

Constituida por un compuesto de resinas químicas, su función es crear un sólido de contacto, el cual mantendrá las fibras de carbono con cohesión y a su vez será el puente que transmitirá las tensiones solicitantes al polímero de refuerzo; de forma análoga mediante este vínculo se transmitirán los esfuerzos resistentes al sustrato base

La matriz polimérica tiene que tener un alargamiento de ruptura mucho mayor que el alargamiento que puede resistir la fibra de carbono, esto para permitir que la matriz continúe poseyendo capacidad de carga, incluso después de que la tensión en la fibra haya alcanzado su valor máximo de ruptura.

Tejido Estructural

Constituido por el entramado de fibra de carbono. Las fibras dispuestas unidireccionalmente o bidireccionalmente dentro de las matrices poliméricas, absorberán los esfuerzos solicitantes que actúan sobre el elemento de hormigón armado.

En función del diseño y disposición geométrica del tejido se creará una “barrera” que será capaz de reaccionar a las cargas impuestas incrementando la resistencia de la pieza de hormigón armado.

Por lo tanto, tenemos que los sistemas de refuerzo basados en fibra de carbono y matriz epóxica, deben poseer un modo de trabajo del tipo:

Fibra de carbono con ruptura frágil y matriz polimérica con ruptura dúctil.

De esta manera queda descartada la posibilidad de que el refuerzo falle por la ruptura de la cobertura epóxica.

A diferencia del acero, los polímeros reforzados con fibras, tienen un comportamiento lineal hasta la rotura.

Inyección de resina epóxica, fundamentos de la rehabilitación estructural.

El objetivo principal de este tipo de reparación es restaurar la integridad estructural y la resistencia a la penetración de humedad del elemento de concreto.

Las causas más comunes que conducen al agrietamiento de los elementos de hormigón son:

• Retracción por secado.

• Contracción o expansión térmica.

• Asentamiento.

• Cargas fuera del rango de diseño.

Uno de los procedimientos de reparación potencialmente efectivos consiste en inyectar las grietas con resina epóxica a presión. El procedimiento de inyección variará en función de la aplicación y localización de las grietas, además las grietas horizontales, verticales o “sobre-cabeza” requieren algunos enfoques de aplicación diferentes. El enfoque que se utilice debe considerar también la accesibilidad a la superficie agrietada y el tamaño de la grieta.

Las grietas pueden ser inyectadas desde uno o ambos lados de un elemento de concreto. Si el acceso está limitado a un lado solamente, los procedimientos de aplicación pueden incluir variaciones en la viscosidad de la resina epóxica, el equipo de inyección, la presión de inyección y el espaciamiento de los puertos de inyección para asegurar una completa penetración de la resina en la grieta.

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