Refuerzo estructural con fibra de carbono (CFRP)

PROPIEDADES Y FUNDAMENTOS.

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

Los materiales que lo componen 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, 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 del elemento.

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.

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Aplicación de los sistemas compuestos.

El refuerzo con fibra de carbono puede ser empleado en estructuras de hormigón armado y acero estructural.

Existe un factor determinante en el diseño y aplicación del sistema de refuerzo externo a flexión, siendo la delaminación o debonding, el mecanismo de falla clave al momento de proyectar el uso de la fibra de carbono.

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.

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 fue preámbulo al uso de materiales compuestos de refuerzo vinculados externamente a las piezas solicitadas.

Códigos de diseño.

En el caso de refuerzo con matriz epóxica empleamos la norma ACI 440.2R-17 “Guide for the design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures”.

En el caso de refuerzo con matriz cemenícia empleamos la norma ACI 549.4R-13 Guide for the design and Construction of Externally Bonded Fabric Reinforced Cementitious Matrix (FCRM) Systems for the repair and Strengthening Concrete and Masonry Structures”.

Solicitaciones de diseño.

En el mercado nacional e internacional, encontramos disponible fibra de carbono en presentación unidireccional y bidireccional.

Dependiendo de la orientación de la fibra, es posible incrementar la resistencia del elemento estructural.

La fibra de carbono puede ser utilizada para absorver los esfuerzos de tracción debido a los momentos flectores positivos y negativos, así como las tensiones tangenciales derivadas de los esfuerzos de corte.

Incluso es posible incrementar la resistencia a compresión, empleando la técnica de confinamiento sobre sección de hormigón armado.

Presentación de la fibra de carbono.

La forma más común en la que se comercializa este material a nivel nacional e internacional es:

Manta unidireccional de fibra de carbono, de gramaje igual a 300 grs/m2.

Manta unidireccional de fibra de carbono, de gramaje igual a 600 grs/m2.

Cinta de fibra de carbono de 50mmx1.2mm

Nuestros rango de acción.

En Eraikuntza, buscamos entregar un servicio completo a nuestros clientes, el cual contempla:

Patología estructural.

Cálculo del sistema de refuerzo estructural.

Suministro e instalación del sistema de refuerzo estructural proyectado.