FIBRA DE CARBONO INTRODUCCION En la actualidad el mundo de la construcción ha tenido un desarrollo a pasos acelerados, se han realizados muchas obras de las cuales algunas no han sido hechas de la mejor manera, esto ocasiona un problema, se tendría que volver a realizar la obra o solamente reforzarla. En el mercado de materiales de construcción existe un producto llamado fibra de carbono el cual se usa para el reforzamiento de estructuras, el cual se volvió una alternativa de solución para el problema al que nos enfrentamos en la actualidad. Este producto tiene un elevado costo, pero a la larga nos da más beneficios y reduce gastos ya sea de transporte, uso, etc. Es por esta razón que abordo este tema, para poder dar a conocer los detalles de este material, su uso, sus propiedades mecánicas, las ventajas que brinda comparado con otros productos, etc. I. OBJETIVOS: * En el siguiente trabajo se busca conocer al detalle la definición de la fibra de carbono, así como sus propiedades físicas, mecánicas, químicas y tecnológicas. * Conocer la aplicación de este producto en la industria de la construcción. * Se busca saber las ventajas que este producto genera en comparación con otros. * Conocer la aplicación que tiene en la industria de la construcción. II. MARCO TEORICO: 3.1. Definición: Se denomina „fibra de carbono‟ a un compuesto no metálico de tipo polimérico, integrado
por una fase dispersante que da forma a la pieza que se quiere fabricar - normalmente alguna resina - y una fase dispersa - un refuerzo hecho de fibras, en este caso, de carbono y cuya materia prima es el poliacrilonitrilo. Es un material muy caro, de propiedades mecánicas elevadas y ligero. Al igual que la fibra de vidrio, es un caso común de metonimia, en el cual se le da al todo el nombre de una parte, en este caso el nombre de las fibras que lo refuerzan. Al tratarse de un material material compuesto, compuesto, en la mayoría mayoría de los casos casos -aproximadamente -aproximadamente un 75%- se utilizan polímeros termoestables. El polímero es habitualmente resina epoxi, de tipo termoestable aunque otros polímeros, como el poliéster o el viniléster también se usan como base para la fibra de carbono aunque están cayendo en desuso. Las propiedades principales de este material compuesto son: * Elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado. * Baja densidad, en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero. * Elevado precio de producción. * Resistencia a agentes externos.
* Gran capacidad de aislamiento térmico. * Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se utiliza matriz termoestable. * Buenas propiedades ignífugas. Las razones del elevado precio de los materiales realizados en fibra de carbono se deben a varios factores: El refuerzo, fibra, es un polímero sintético que requiere un caro y largo proceso de producción. Este proceso se realiza a alta temperatura -entre 1100 y 2500 °C- en atmósfera de hidrógeno durante semanas o incluso meses dependiendo de la calidad que se desee obtener ya que pueden realizarse procesos para mejorar algunas de sus características una vez se ha obtenido la fibra. El uso de materiales termoestables dificulta el proceso de creación de la pieza final, ya que se requiere de un complejo utillaje especializado, como el horno autoclave. Tiene muchas aplicaciones en la industria aeronáutica y automovilística, al igual que en barcos y en bicicletas, donde sus propiedades mecánicas y ligereza son muy importantes. También se está haciendo cada vez más común en otros artículos de consumo como patines en línea, raquetas de tenis, ordenadores portátiles, trípodes y cañas de pesca e incluso en joyería . Tela de fibra de carbono. * Poliacrilonitrilo (PAN).- es un polímero utilizado en la fabricación de fibras sintéticas, se utiliza, por ejemplo, para hacer suéteres y para fabricar telas para carpas. El poliacrilonitrilo se utiliza frecuentemente para hacer otro compuesto del tipo polimérico, la fibra de carbono en hornos de alta temperatura en ausencia de oxígeno. Pero los copolimeros que contienen principalmente poliacrilonitrilo, se utilizan como fibras para hacer tejidos, como medias y suéteres, o también productos para ser expuestos a la intemperie, como carpas y otros. Si la etiqueta de cierta prenda de vestir dice “acrílico”,
entonces es porque la prenda está hecha con algún copolimero de poliacrilonitrilo. Generalmente son copolimeros de acrilonitrilo y metil acrilato, o acrilonitrilo y metil metacrilato: A veces también hacemos los copolimeros a partir de acrilonitrilo y cloruro de vinilo. Estos copolimeros son retardantes de llama y las fibras hechas de ellos se llaman fibras modacrílicas. La fibra de carbono es un polímero de una cierta forma de grafito, el grafito es una forma de carbono puro. En el grafico los átomos de carbono están dispuestos en grades laminas de anillo aromático hexagonales, estas laminas se asemejan a los tejidos de alambre de gallinero. Las fibras de carbono (FC) son sólidos que presentan una morfología fibrosa en forma de filamentos, o una trenza de éstos, y con un contenido mínimo en carbono del 92% en peso. Las FC se obtienen por carbonización (1200-1400ºC) de fibras orgánicas naturales o sintéticas, o de fibras procedentes de precursores orgánicos. En la mayoría de los
casos, las fibras de carbono permanecen como carbón no grafítico. Por tanto en términos de fibras de grafito solo está justificado cuando las fibras de carbono, siempre y cuando sean grafitizables, han sido sometidas a un tratamiento térmico de grafitización (20003000ºC) que les confiere un orden cristalino tridimensional que puede observarse mediante difracción de rayos X. Aunque existe una gran variedad de FC basadas en los distintos precursores, procesos químicos y tecnológicos, su preparación conlleva las siguientes etapas: * Hilado de las fibras a partir de una disolución o fundido. * Estabilización de las fibras hiladas mediante pre-oxidación o estabilización térmica, para evitar que la fibra se funda en el posterior proceso de carbonización * Carbonización en atmósfera inerte (1200-1400ºC). Con estas etapas se obtienen las denominadas fibras de carbono de uso general. Para obtener fibras de carbono de altas prestaciones, fibras de carbono conductoras o fibras de grafito es necesario someter las FC a tratamientos térmicos adicionales a temperaturas que pueden variar entre los 2000 y los 3000ºC. En muchos casos también es necesario someter las fibras a un tratamiento superficial (generalmente de oxidación que generan grupos superficiales oxigenados en la superficie de las fibras que aumentan su mojabilidad) para mejorar la adhesión a la matriz. Atendiendo a sus propiedades mecánicas se pueden clasificar en: Fibras de ultra alto módulo (UHM): Son aquellas que presentan un módulo elástico superior a los 500 Gpa: Fibras de alto módulo (HM): Presentan un módulo de elasticidad superior a 300 Gpa, pero con una relación resistencia a la tracción/módulo de tensión menor del 1%. Fibras de alta fuerza (HT): Presentan valores de resistencia a la tensión superiores a 3 Gpa y con relaciones resistencia a la tracción/módulo de 0.015-20. Fibras de módulo intermedio (IM): Presentan valores del módulo de tensión superiores a 300 Gpa y relaciones de resistencia a la tracción/módulo del orden de 0.01. Fibras de bajo módulo: Son FC de estructura isótropa, con valores bajos del módulo y resistencia a la tensión. Se comercializan como fibras cortas. En relación a los precursores utilizados para la obtención de FC las más importantes son: Fibras de carbono a partir de rayón, fibras de carbono a partir de PAN (hoy en día este es el producto más importante para la fabricación de FC y del que se obtienen la mayoría de las fibras industriales) y fibras de carbono a partir de breas. Las fibras de carbono activadas si obtienen mediante carbonización y activación física o química de distintos precursores (breas, rayón, poliacetatos, resinas fenólicas, etc.). Se caracterizan por presentar una gran superficie específica, tamaño de poros muy uniforme y velocidades de adsorción/deserción unas 100 veces superior a la de los carbones activados. Estas fibras se pueden obtener en forma de telas o fieltros. Otro tipo de fibras que difiere de las anteriores en cuanto en cuanto a sus características y métodos de obtención son las fibras de carbono crecidas en fase vapor (vapor ground carbón fibres, VGCF). Estas fibras se obtienen mediante un proceso catalític de depósito químico en fase vapor. Aunque de tamaño mucho menor que las anteriores, estas FC
presentan una gran variedad de tamaños que van desde unos pocos cm hasta las micro y nanofibras. Materiales compuestos carbono/carbono: Son un tipo particular de materiales compuestos en los que se combinan refuerzo de carbono (generalmente una FC) y una matriz también carbonosa (resinas, polímeros o breas, con las que primero se impregna la fibra y luego se carbonizan para dar lugar a esta matriz). Este tipo de materiales se caracterizan por ser ligeros y a la vez densos, con altas prestaciones mecánicas, alta resistencia térmica (en atmósfera no oxidante) y muy inertes ante la mayoría de agentes químicos. Por el contrario su punto débil es la gran reactividad en atmósfera oxidante cuando se sobrepasan los 400-500ºC. También son materiales de alto coste aunque los avances tecnológicos y su uso más generalizado tienden a abaratar sus costes. Los procedimientos más utilizados para la pre separación de materiales compuestos C/C son el depósito químico en fase de vapor ( CVD ) y la impregnación líquida, los cuales se pueden utilizar bien de forma individual o bien de forma combinada. En el primer procedimiento, las FC se exponen a una corriente de un hidrocarburo (metano) que a las altas temperaturas del tratamiento se descompone y deposita en forma de carbón pirolítico sobre la superficie de la fibra. En el caso de la impregnación líquida la preparación del material conlleva dos etapas consecutivas, la impregnación de la fibra con un precursor orgánico dando lugar al pre impregnado y la transformación de este percusor en matriz de carbono mediante la aplicación de ciclos térmicos controlados en atmósfera inerte (carbonización). Dependiendo de las aplicaciones finales del material este puede someterse a un proceso de gratificación a temperaturas del orden de los 2500ºC. En los materiales en los que se requiere una gran densidad y altas propiedades mecánicas, los materiales compuestos C/C pueden someterse a un proceso de densificación mediante infiltración del precursor de la matriz o mediante CVD. 3.2. Estructura y Propiedades: Cada filamento de carbono es la unión de muchas miles de fibras de carbono. Un filamento es un fino tubo con un diámetro de 5 –8 micrómetros y consiste mayoritariamente en carbono. La estructura atómica de la fibra de carbono es similar a la del grafito, consistente en láminas de átomos de carbono arreglados en un patrón regular hexagonal. La diferencia recae en la manera en que esas hojas se entrecruzan. El grafito es un material cristalino en donde las hojas se sitúan paralelamente unas a otras de manera regular. Las uniones químicas entre las hojas son relativamente débiles, dándoles al grafito su blandura y brillo característicos. La fibra de carbono es un material amorfo: las hojas de átomos de carbono están azarosamente foliadas, o apretadas, juntas. Esto integra a las hojas, previniendo su corrimiento entre capas e incrementando grandemente su resistencia. La densidad de la fibra de carbono es de 1.750 kg/m3. Es conductor eléctrico y de baja conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de carbono se hace más grueso y corto. Naturalmente las fibras de carbono son negras, pero recientemente hay disponible fibra coloreada. Su densidad lineal (masa por unidad de longitud, con la unidad 1 tex = 1 g/1000 m) o por el número de filamentos por yarda, en miles.
III. FABRICACION DE FIBRA DE CARBONO: 4.3. Resumen * Procesos de fabricación de fibra y “prepreg” más comunes en la actualidad
* Evolución de las necesidades de los usuarios finales de los materiales. * Legislación y condicionantes medioambientales. 4.4. Conclusiones: * Procesos que garanticen materiales que respondan a las necesidades de automatización y productividad de los usuarios. * Procesos que respondan al aumento de la demanda con inversiones y costes razonables. * Anticipación a requisitos medioambientales y de Seguridad y Salud. 4.5. Uso Actual: * Crecimiento en mercados tradicionales: Aeronáutico militar y civil, deportivo y de ocio. * Comienzo, con fuerte crecimiento, en energía eólica como ejemplo de grandes volúmenes. * Industrialización, automatización y reducción de costos. * Resistencia en mercados como el de automoción. 4.6. Flujo de Fabricación: 4.7. Fabricación de PAN: * Polimerización, hilado, lavado, secado y acabado. * Control estrecho de los parámetros para garantizar calidad constante. * Control de elementos contaminantes. * Altas inversiones. * Altos consumos energéticos. 4.8. Fabricación de Fibra de Carbono: Mejoras: * Disminución de daño en los filamentos. * Mejora de la manejabilidad de la fibra. * Mejora en las propiedades mecánicas y disminución de su variabilidad. * Disminución de variabilidad de densidad y de MPUL. * Prevención de fuentes de contaminación. * Aumento de capacidad y productividad.
* Mejora de eficiencia energética. * Disminución del impacto ambiental. * Mejora del ambiente interior de la instalación. 4.9. Fabricación de tejido * Se realiza en máquinas estándar mejoradas para minimizar el daño a los filamentos de la fibra * Proceso lento y con un importante coste añadido * Inversiones altas con referencia al nivel de producción 4.10. Fabricación de Prepreg: Los procesos más comúnmente utilizados en la fabricación de pre impregnados son: * Impregnación en disolución * Mezclado * Impregnado * Impregnación en caliente * Mezclado * Fabricación del film de resina * Impregnado 4.11. Impregnación en Disolución: 4.12. Impregnación en Caliente Producción de Film de Resina 4.13. Producción de Film de Resina: Mejoras: * Disminución de la variabilidad del peso del film. * Mayor control del grado de avance de la resina. * Disminución de variabilidad del nivel de tack. 4.14. Impregnación en caliente: Mejoras * Mayor control en la tensión de los hilos y mejora en el manejo de la fibra. * Disminución de la variabilidad del peso de fibra por unidad de área. * Uniformidad de la colimación, grado de impregnación, tack. * Mejora en las características “físicas” del prepreg: corte, anchura de banda, tensión y
alineación de enrollado. * Aumento de productividad de nuevos equipos. * Corte del material en línea.
4.15. El Futuro: * Calidad total * Reducción de variabilidad * Industrialización y reducción de costes * Legislaciones y condicionantes medioambientales 4.16. Calidad Total: * “First time quality”
* Cero defectos. * Ausencia de defectos ocultos. * Reducción-eliminación de ensayos de aceptación de lotes por parte del productor y del cliente. 4.17. Reducción de variabilidad: * Propiedades mecánicas. * Repetibilidad de las piezas sin necesidad de reprocesado. * Variabilidad en las propiedades de uso de los materiales en procesos automáticos. * Reforzar el uso del análisis estadístico. 4.18. Industrialización y reducción de Costo: * Aumento de la cadencia de producción para hacer frente a la demanda * Economías de escala * Racionalización de los tipos de productos * Optimización de desecho de materias primas y recursos energéticos 4.19. Legislaciones y Condicionantes Medio Ambientales: * Nuevas y más restrictivas normativas medioambientales y de Seguridad y Salud * Reciclado IV. FIBRA DE CARBONO EN LA CONSTRUCCION En el área de fibra de carbono en la Construcción hay actualmente dos líneas de trabajo: reparaciones e implantación en obra: La implantación en la obra civil está avanzando más despacio que la utilización en reparaciones debido al bajo coste de los materiales tradicionales, a la limitación de procesos de fabricación de estructuras de materiales compuestos y al conservadurismo de las normativas de edificación y obra civil en todos los países industrializados. Sin embargo, los tres asuntos mencionados están siendo abordados con eficiencia, como se explicará más adelante. V. PROPIEDADES MECANICAS DE LA FIBRA DE CARBONO:
Las platinas CFRP son una combinación de fibras de carbono y una matriz de resina epoxica y tiene en la dirección de la fibra una resistencia y rigidez muy altas, así como un comportamiento excepcional a la fatiga, mejor que la del acero y además su densidad es muy baja. Las fibras están colocadas en dirección longitudinal correspondiendo a la dirección de la solicitación, de esta forma la lamina tiene una dirección unidireccional. Las fibras son los elementos con capacidad de carga y la matriz epoxica sirve para unir entre sí las fibras, permite la transferencia de carga entre las fibras y las protege del medio ambiente. Las propiedades principales de este material compuesto son: * Elevada resistencia mecánica, con un módulo de elasticidad elevado. * Baja densidad, en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero. * Resistencia a agentes externos. * Gran capacidad de aislamiento térmico. * Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se utiliza matriz termoestable. La resistencia en dirección transversal a las fibras así como la resistencia a cortante son bajos. Las características mecánicas en dirección longitudinal son determinadas por el tipo de fibra y por el contenido en volumen de fibras en la platina. En la Figura anterior se muestra varias curvas de esfuerzo-deformación correspondientes a algunas existentes en el mercado. Se puede observar que las fibras de carbono con un modulo de elasticidad más elevado tienen menor esfuerzo máximo en tensión. Con respecto a las 3 curvas mostradas correspondientes a tres tipos de platinas S, M y H de acuerdo con su modulo de elasticidad, Las 2 primeras son usadas mayormente para el reforzamiento de elementos de concreto armado mientras que la tercera se utiliza para reforzamiento de elementos de madera. A continuación se muestran los valores de ø que distribuye Sika (uno de los principales distribuidores de CFRP en Europa y América) que, según ellos, deben de ser utilizadas hasta que nuevas investigaciones indiquen lo contrario. 6.20. Sika Perú: Sika es una compañía global con una red de subsidiarias a lo ancho del mundo, desenvolviéndose en el campo de químicos especiales para la construcción e industria. Sika está comprometida con la calidad, servicio, seguridad y cuidado del medio ambiente. Nuestros productos, líderes a nivel mundial, son soluciones probadas y basadas en nuestras principales especialidades en las siguientes áreas: Sellado – Adhesivos – Humedad – Refuerzo – Protección 6.21. Productos para Refuerzo Estructural Los productos para reforzamiento estructural comprenden láminas y mantas de fibra de carbono, los cuales son adheridos con resinas epóxicas de propiedades especiales. Estos refuerzos que son adheridos externamente a las estructuras de concreto, madera o metal, han demostrado largamente su eficacia, debido a su extremada resistencia a la tracción. Las láminas de fibra de Carbono se utilizan especialmente para aumentar la resistencia a
flexión, mientras que las mantas se utilizan con bastante éxito para aumentar la resistencia a cortante. Son muy fáciles de colocar, no requiriendo personal especializado para dicho trabajo. El desarrollo de proyectos de reforzamiento estructural con fibras de carbono, obedece a la investigación en el campo de las estructuras desde los años ochenta. El beneficio obtenido principalmente es el de contar con un material liviano, que no se oxida y que es extremadamente resistente a la tracción. Para la colocación de los materiales de fibra de carbono, es necesario en la mayoría de los casos, someter previamente, a la estructura de concreto a una prueba de adherencia, la cual de ser positiva , garantiza la correcta adherencia del refuerzo a la estructura; caso contrario, se deberá optar por un sistema de reforzamiento distinto. Productos * Sika CarboDur * Sikadur 30 * SikaWrap 230C * Sikadur 330 * SikaWrap 103C * Sikadur Hex 300 * Sika Crack Fix* *Consiste en un Kit de un rollo de 3.5m. x 0.31m. de Sika Wrap 230C + 1kg de Sikadur 330 VI. REFUERZO CON FIBRA DE CARBONO: Figura 1. Refuerzo con laminado para cumplir requerimientos sísmicos. CH Zorita. Unión FENOSA. El empleo de refuerzos con fibra de carbono en edificación, surge como una alternativa eficiente y económica a los sistemas tradicionales de platabandas metálicas. La necesidad de reforzar una estructura surge por diversos motivos: cambios de uso, asientos diferenciales, defectos de diseño o construcción, modificación de criterios ante la respuesta sísmica, pérdidas de resistencia por problemas de durabilidad, explosión, fuego, impacto, etc. Los refuerzos de fibra de carbono pueden ser instalados rápida y fácilmente sobre superficies planas o curvas, alrededor de pilares y vigas, y en áreas de limitado acceso, interrumpiendo mínimamente la actividad de la instalación. La flexibilidad y adaptabilidad de los materiales de fibra de carbono a diversas geometrías, permite ejecutar refuerzos prácticamente inabordables mediante chapa, tales como túneles, bóvedas o arcos. Esta tecnología se utiliza para incrementar la resistencia a tracción, compresión y cortante de todo tipo de elementos estructurales como vigas, pilares, muros y losas. Habitualmente, se emplean dos tipos de refuerzo: laminado que viene prefabricado en forma de banda, y tejido para ser laminado in situ. La dirección de la fibra en los laminados es unidireccional. Si se requiere refuerzo en dos direcciones se deben solapar capas cruzadas.
Figura 2. Capas Refuerzo en dos direcciones con laminados En el tejido de fibra de carbono por lo contrario, las fibras se orientan en dos direcciones, facilitando los trabajos de ejecución en estructuras que requieren refuerzo en ambas direcciones. También es ampliamente empleado para el refuerzo de pilares mediante zunchado. El tejido se impregna in situ, procediendo a su aplicación aún en fresco, sobre el soporte a reforzar. Como matriz de impregnación y de adhesión se emplean resinas y masillas epoxi de altas prestaciones. La utilización de cada tipo de refuerzo dependerá de la estructura, la dirección del refuerzo requerido, la geometría, su cantidad, el acceso a la superficie donde se va a realizar el refuerzo, etc. Figura 3. Refuerzo completo de una viga de un aparcamiento. Se aprecia la fibra aplicada como refuerzo de cortantes y el laminado para soportar las tracciones. Las características típicas de la fibra de carbono se recogen en el cuadro adjunto. Refuerzo a tracción: El refuerzo a tracción se consigue mediante la adhesión del sistema a la cara traccionada del elemento a reforzar. Refuerzo a cortante: La resistencia a esfuerzos cortantes puede ser mejorada mediante la adhesión transversal alrededor del elemento y orientando las fibras perpendicularmente a la dirección potencial de corte o rotura. Resistencia a compresión: La resistencia a compresión de los pilares puede ser mejorada mediante zunchado con fibras. Figura 5. Preparación del laminado antes de la colocación. Se aprecia la facilidad de manejo del material que es suministrado en rollos de gran longitud y bajo peso, que son cortados en obra con las dimensiones de proyecto. Dado que la eficacia del sistema está basada en la perfecta unión de los materiales que conforman el sistema: laminado o tejido, adhesivo y hormigón. Defectos como aire ocluido en la interfaz tejido-hormigón, baja adherencia debida a una pobre preparación de la superficie, etc., pueden provocar el fallo del refuerzo. Por lo tanto, y para verificar la calidad del trabajo ejecutado se deben realizar ensayos de adherencia. 7.22. Ámbitos de aplicación de la Fibra de Carbono: * Paredes sometidas a cargas excesivas de flexión, efecto cizalla o impacto. * Columnas, muros y chimeneas sometidas a excesivas cargas de flexión y confinamiento (sísmica). * Pilares sometidos a fuertes compresiones mediante arrollamientos en espiral con tejido de fibra de carbono, reforzado con laminado. * Silos y tanques sometidos a excesivas cargas circulares.
* Vigas y losas sometidas a cargas excesivas de efecto cizalla, a un par de fuerzas negativo o positivo y a la flexión. * Tuberías y túneles sometidos a excesivas cargas laterales y esfuerzos circulares y de flexión. * Puentes u otras estructuras de madera o acero para aumentar su capacidad de carga. * Construcciones industriales y aparcamientos de varios niveles y en la construcción en general (reconstrucción, modificaciones de construcción). VII. UNA EXPERIENCIA EXITOSA CON FIBRA DE CARBONO: En el distrito de Chasquitambo (800 msnm), departamento de Ancash, sobre la carretera Pativilca-Huaraz, a unos 250 km de Lima, se halla la Comunidad Campesina de San Jerónimo de Pacllo, cuyo principal acceso es el Puente Colgante conocido como Pacllo Callún. En diciembre del 2000, en plenos trabajos de construcción del Minero ducto Antamina, el brazo de una excavadora que era transportada sobre un camión plataforma jaló accidentalmente uno de los cables principales del puente colgante que cruzan sobre la carretera hacia las cámaras de anclaje de concreto ubicadas al otro lado de la carretera. Ello originó que este cable se saliera del carro de dilatación y se desplazara peligrosamente sobre la viga superior de una de las torres de sostenimiento, poniendo en riesgo la estabilidad del puente. El Puente Colgante Pacllo – Callún, estos tienen una importancia histórica para nosotros, pues su uso y concepción se remonta a las antiguas civilizaciones incas y fueron ideados para salvar grandes distancias. Antiguamente, los cables principales de soporte eran hechos con fibras de cáñamo trenzadas en diámetros grandes que sustituían a los actuales cables de acero. Estos puentes constituyen una de las estructuras más perfectas e insustituibles, ofreciendo ventajas en economía, facilidad de montaje y disponibilidad de materiales. El puente Pacllo-Callún fue diseñado para soportar una carga máxima de 5 t, con una luz de 40 metros entre las torres de sostenimiento, las cuales están constituidas por un pórtico de concreto armado de 7 m 11 de altura y 4.10 m de distancia entre sus columnas. Tanto la viga superior como la intermedia y las columnas de la torre son de sección 0.30 x 0.60 m. Los cables principales, hechos de torones de alambre de acero galvanizado, son de 1” de
diámetro y anclan en las cámaras de anclaje que se encuentran a ambos lados del puente. Las péndolas o tirantes de acero sostienen el tablero del puente. El entablado del puente descansa sobre largueros de madera de 6” x 12”, que a su vez se apoyan sobre
viguetas de igual sección, que son sostenidas por las péndolas. Los Daños que se Presentaron en el Puente ocurrido el accidente, uno de los cables principales de la torre de sostenimiento ubicada cerca de la carretera se salió del carro de dilatación, volando los rodillos, y quedó apoyado sobre la viga superior de la torre de acuerdo con el gráfico siguiente: Proceso constructivo:
Respecto a la aplicación de las capas de fibra de carbono, en este proyecto se utilizó fibras Mrace, distribuidas por MBT-UNICON en el Perú y se siguieron las siguientes pasos: * Colocación del imprimante epoxico (o Primer). * Aplicar la Pasta adhesiva (o Putty) para igualar las superficies. * Luego, una capa de saturante (o Saturant). * Agregar el refuerzo de fibras de carbono en espesores y dimensiones indicados por el proyectista. * Una segunda capa de saturante (o Saturant). * Incluir el recubrimiento protector (o Top Coat) para proteger las fibras de los rayos solares. Es muy importante recalcar que la efectividad de este sistema depende de la pericia y experiencia que debe tener el técnico aplicador para lograr una adecuada adherencia concreto-fibra, siempre bajo la supervisión de un ingeniero entrenado en este procedimiento. El manejo adecuado de los tiempos de espera entre una y otra capa, los espesores exactos de las capas y la presión de aplicación son factores determinantes en la resistencia final del sistema. VIII. COMPARACION CON OTROS SISTEMAS: El sistema más común para el refuerzo de elementos de concreto es el pegado de placas de acero por medio de resinas epoxica (método L‟ Hermite). Los sistemas de pegado de
material compuesto son la solución alternativa y sustitutiva de la antes mencionada, por lo tanto efectuó a continuación una comparación entre estos sistemas: * Costo de material: El acero es un material barato si lo comparamos con la fibra. Estas requieren de gran cantidad de energía para su fabricación, además que la economía de escala no la favorecen (son materiales todavía poco utilizados). Las fibras de carbono son de 6 y 10 veces más caras que el acero para una misma resistencia. * Costo de Instalación: Las fibras de carbono son extraordinariamente livianas y fáciles de manejar, por lo que su aplicación e instalación es muy rápida y no requiere medio auxiliares. El costo Unitario de la Aplicación es muy bajo. Por otro lado, los elementos de acero son pesados, rígidos y requieren medios auxiliares para su instalación. El costo de la ejecución de estos sistemas tradicionales es más alto y generalmente se pueden estimar como 3 a 4 veces superior al de los sistemas equivalentes con fibra de carbono. * Costo de Mantenimiento Las placas de acero son susceptibles a la corrosión. Es necesario protegerlas y pintarlas varias veces a lo largo de su vida. Las fibras de carbono, por el contrario no presentan ese problema, por lo que el costo de mantenimiento es menor.
* Durabilidad: Los refuerzos realizados con fibras de carbono, son mas durables debido a que no sufren corrosión, no son afectados ni siquiera por ambientes agresivos. A menos que la fibra de carbono sea expuesta a impactos mecánicos o a la radiación solar excesiva, pocas cosas pueden deteriorarlas significativamente. * Costos Asociados: Las estructuras que requieren refuerzo suelen estar en operación lo cual conlleva unos costos asociados como por ejemplo: Costar el tráfico, este costo a veces es mucho mayor que los de la propia ejecución de refuerzo. Los refuerzos con fibra de carbono son mucha más fáciles, flexibles y rápidos de instalar, requieren menos medios auxiliares y causan menos molestias. Por esto, los costos asociados son sensiblemente inferiores a los de cualquier método alternativo. Éste suele ser el criterio que da una gran ventaja a los sistemas de refuerzo con fibra de carbono. IX. VENTAJA DE LA FIBRA DE CARBONO * Menor peso. Las láminas de fibra de carbono pesan 10 veces menos que el acero. * Mayor resistencia. Las láminas de fibra de carbono resisten 10 veces más tensión que el acero. Ello permite disminuir el tamaño del refuerzo necesario. * Mayor flexibilidad. * Facilidad de manejo (por su flexibilidad y poco peso). * Facilidad de transporte (enrollada). * Longitud no restringida. Elimina los empalmes que eran necesarios con las chapas de acero. Además, estos empalmes no podían ser ejecutados por soldadura de las placas ya colocadas, pues el calor necesario afecta a la resina epoxi de pegado. * Mejor adaptación a los soportes por su flexibilidad. * Permite cruces de las láminas sin ninguna tarea adicional, por su poco espesor y gran flexibilidad. * Menor interferencia con el resto de elementos de la obra. * Instalación muy rápida. * No suele necesitar apeo, con lo que, además, la zona de obras queda mucho más despejada. * No sufre corrosión ni ningún otro tipo de ataque químico. * Mejor comportamiento ante la fatiga que el acero. X. CONCLUSIONES: * Su versatilidad, rapidez de aplicación y eficacia como refuerzo estructural, hacen que la fibra de carbono sea una tecnología imprescindible a la hora de proyectar y ejecutar refuerzos estructurales. * De entre los diversos materiales compuestos existentes, los constituidos por fibra de carbono es uno de los mejores materiales para el reforzamiento y reparación en la
construcción, gracias a la inalterabilidad de las características mecánicas de dicha fibra ante la presencia de humedad, disolventes, ácidos o bases, agentes atmosféricos, etc. Junto a sus elevadas resistencias a largo plazo. * Los precios de estos materiales están bajando estos últimos años por incrementarse la producción y desarrollar métodos de fabricación más eficaces. * Luego de la reparación se a observado un buen desempeño mecánico de los elementos reforzados, lo que muestra la eficiencia del método de reparación con CFRP. * Las obras que se refieren a el reforzamiento o reparación con fibra de carbono, deben de ser ejecutadas, por mano de obra calificada y un constante supervisión por el profesional responsable de la Obra, que tenga experiencia en la colocación de la fibra de carbono y que sea muy minucioso, ya que para este tipo de proyecto se necesita profesionales calificados al 100%. * Al utilizar CFRP para el refuerzo a flexión en elementos de concreto es de imprescindible tener un conocimiento completo de las propiedades mecánicas del material empleado y de los requerimientos que deben satisfacer en el diseño y en la construcción.
XI. RECOMENDACIONES * El estado debería de aportar en estudios de especialización en este tema, ya que es de benéfico de la comunidad. * Recomiendo al Ministerio de Transportes y Comunicaciones, indagar sobre el tema y pronunciarse en el reglamento sobre este material. * Recomiendo a los Ingenieros catedráticos de las diferentes universidades, dar métodos de diseño y parámetros sobre este tema, ya que el alumno debe de estar informado de los diferentes materiales de construcción con los cuales se cuentan en la actualidad. XII. BIBLIOGRAFIA: * COMPORTAMIENTO DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO REFORZADAS CON FIBRAS DE CARBONO (CFRP) Ricardo PROAÑO (CISMID – Facultad de Ingeniería Civil - Universidad Nacional de Ingeniería) * http://www.institutoconstruir.org/centrocivil/puentes/Reforzamiento_con_fibras_de_carbon o_Puente_Pacllo.pdf * Concreto Armado 1, universidad nacional de Ingeniería, Lima – Perú,
* Estructuras de concreto reforzado. R. Park & T. Paulay - Cap.-6. Editorial Limusa México 1990. ANEXO
