II CURSO INTERNACIONAL AVANZADO DE REFORZAMIENTO DE ESTRUCTURAS CON FRP ESPE. Universidad Universidad de de la Fuerzas Fuerzas Armadas Armadas 10 al al 12 12 de MARZO de 2014 QUITO – – ECUADOR ECUADOR
REFUERZO DE ESTRUCTURAS DE ESTRUCTURAS CON FRP CON FRP FRENTE FRENTE A A DEMANDAS COMBINADAS DE FLEXIÓN, CORTE, AXIAL CORTE, AXIAL Y TORSIÓN Y TORSIÓN
Dr. Roberto Aguiar Roberto Aguiar Falconi Falconi CEINCI‐Universidad de las Fuerzas Armadas Quito. Ecuador
Dr. Miguel Eduardo Miguel Eduardo Tornello CeReDeTeC. Facultad Regional Mendoza Universidad Tecnológica Nacional Mendoza. Argentina
II Curso Internacional Avanzado Avanzado de reforzamiento de estructuras con FRP Refuerzo de estructuras con FRP frente FRP frente a demandas combinadas de Flexión, corte, axil y axil y torsión torsión Dr. Roberto Aguiar Roberto Aguiar Falconi Falconi – – Dr. Dr. Miguel Eduardo Miguel Eduardo Tornello
1.
Introducción
2.
Marco reglamentario de los refuerzos con FRP 2.1 Consideraciones generales de los sistemas FRP (Capítulo 1 del ACI 440.2R‐08) 2.1.1 Conocimiento de base 2.1.2 Alcances y limitaciones 2.1.3 Estudios previos 2.1.4 Especificaciones generales 2.2 Consideraciones generales de diseño (Capítulo 9 del ACI 440.2R‐08) 2.2.1 Filosofía de diseño 2.2.2 Límite en la resistencia 2.2.3 Selección de los sistemas FRP 2.2.4 Propiedades del material
3.
Refuerzo a Flexión 3.1 Diagrama Momento Curvatura 3.2 Propiedades de la sección fisurada y no fisurada 3.3 Momento de fisuración 3.4 Cálculo de las deformaciones iniciales 3.5 Reducción de las deformaciones unitarias y esfuerzo en el FRP 3.6 Posición del eje neutro para la sección con refuerzo FRP 3.7 Cálculo de la capacidad a flexión 3.8 Aplicaciones prácticas de refuerzo con FRP para Flexión
4.
Diagrama Momento – Momento – Curvatura 4.1 Viga simplemente armada sin FRP 4.2 Viga simplemente armada con FRP 4.3 Aplicaciones prácticas del Diagrama Momento – Momento – Curvatura. 4.4 Rigideces para análisis no lineal
5.
Refuerzo a corte con FRP 5.1 Consideraciones Generales 5.2 Esquemas de aplicación del refuerzo 5.3 Deformación efectiva a corte del FRP 5.4 Contribución al corte del FRP 5.5 Corte último de la sección reforzada 5.6 Aplicaciones prácticas correspondientes al refuerzo al corte
6.
Refuerzo a compresión axial con FRP 6.1 Modelo de resistencia para secciones circulares confinadas con FRP 6.2 Modelo de resistencia para secciones prismáticas confinadas con FRP 6.3 Modelo del ACI 440 para hormigón confinado con FRP 6.4 Capacidad axial de una columna encamisada con FRP 6.5 Aplicaciones prácticas correspondientes al refuerzo a compresión axial con FRP
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1.
Introducción
2.
Marco reglamentario de los refuerzos con FRP 2.1 Consideraciones generales de los sistemas FRP (Capítulo 1 del ACI 440.2R‐08) 2.1.1 Conocimiento de base 2.1.2 Alcances y limitaciones 2.1.3 Estudios previos 2.1.4 Especificaciones generales 2.2 Consideraciones generales de diseño (Capítulo 9 del ACI 440.2R‐08) 2.2.1 Filosofía de diseño 2.2.2 Límite en la resistencia 2.2.3 Selección de los sistemas FRP 2.2.4 Propiedades del material
3.
Refuerzo a Flexión 3.1 Diagrama Momento Curvatura 3.2 Propiedades de la sección fisurada y no fisurada 3.3 Momento de fisuración 3.4 Cálculo de las deformaciones iniciales 3.5 Reducción de las deformaciones unitarias y esfuerzo en el FRP 3.6 Posición del eje neutro para la sección con refuerzo FRP 3.7 Cálculo de la capacidad a flexión 3.8 Aplicaciones prácticas de refuerzo con FRP para Flexión
4.
Diagrama Momento – Momento – Curvatura 4.1 Viga simplemente armada sin FRP 4.2 Viga simplemente armada con FRP 4.3 Aplicaciones prácticas del Diagrama Momento – Momento – Curvatura. 4.4 Rigideces para análisis no lineal
5.
Refuerzo a corte con FRP 5.1 Consideraciones Generales 5.2 Esquemas de aplicación del refuerzo 5.3 Deformación efectiva a corte del FRP 5.4 Contribución al corte del FRP 5.5 Corte último de la sección reforzada 5.6 Aplicaciones prácticas correspondientes al refuerzo al corte
6.
Refuerzo a compresión axial con FRP 6.1 Modelo de resistencia para secciones circulares confinadas con FRP 6.2 Modelo de resistencia para secciones prismáticas confinadas con FRP 6.3 Modelo del ACI 440 para hormigón confinado con FRP 6.4 Capacidad axial de una columna encamisada con FRP 6.5 Aplicaciones prácticas correspondientes al refuerzo a compresión axial con FRP
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7.
Refuerzo a Flexo compresión con FRP 7.1 Puntos característicos del diagrama de interacción 7.2 Diagrama de interacción de columnas reforzadas con FRP 7.3 Método de Bank 7.4 Aplicaciones prácticas correspondientes a Flexión compuesta
8.
Refuerzo a Torsión con FRP 8.1 Configuración del refuerzo 8.2 Capacidad torsional de elementos reforzados con FRP 8.2.1 Capacidad torsional 8.3 Aplicaciones prácticas correspondientes al refuerzo a Torsión.
9.
Introducción a los mecanismos de falla por efecto de la delaminación 9.1 Energía de Fractura 9.2 Tensión última de diseño para la delaminación producida al final del tramo de refuerzo (Modo 1) 9.3 Tensión última de diseño para la delaminación producida en una sección intermedia del refuerzo (Modo 2) 9.4 Tensiones en la interface para el estado límite de servicio
REFERENCIAS
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1.
INTRODUCCIÓN
En el presente Capítulo se desarrolla el marco teórico para el refuerzo a Flexión, Corte, Esfuerzo axial y Flexo compresión, de acuerdo a los requisitos del reglamento ACI 440, para elementos estructurales de hormigón armado con FRP (Fiber Reinforced Polymers). Para el esfuerzo de Flexión, también se desarrollará el procedimiento para obtener el diagrama momento‐curvatura de vigas con y sin refuerzo con FRP, con el objeto de determinar la rigidez a flexión para ser utilizadas en análisis no lineal. De igual forma en el esfuerzo interno de flexo compresión se deduce el diagrama momento‐carga axial de una columna con y sin refuerzo con FRP. Existen distintos materiales que conforman la técnica del FRP, las más utilizadas son y las que se desarrollaran en el presente capítulo: Fibra de Carbono; Platinas de Carbono; y Fibra de Vidrio sin embargo también existen otros materiales utilizados con el mismo objeto (refuerzo estructural) menos conocidos pero muy difundidos en los países industrializados: Fibras de Aramida, Fibras de acero, Alambres de acero, Fibras PBO (Poliparafenilen‐Benzo‐bisOxazolo), Fibras de Asfalto y Biocompuestos (Fibras de Lino y de Cáñamo). El empleo de la técnica del FRP es adecuada cuando el elemento estructural se encuentra en condiciones críticas de resistencia, es decir es necesario incrementar la capacidad a flexión, o corte, en cantidades moderadas; si el incremento es alto, lo mejor es pensar en incorporar nuevos elementos estructurales, ya que puede resultar muy costoso hacerlo solo con FRP y posiblemente no se lo logre el objetivo debido a la existencia de límites en el uso del material. El refuerzo con FRP es adecuado cuando se desea incrementar la resistencia de un elemento estructural sin incrementar la rigidez. La mayor parte de las veces cualquier refuerzo estructural conlleva a una rigidización de la estructura situación que conduce a períodos de vibraciones menores y por ende mayor fuerza sísmica. Por otra parte, el FRP es extremadamente liviano, con lo que no se agrega masa a la estructura y por lo tanto los períodos de vibración de la estructura reforzada se mantienen aunque se consigue un incremento de su resistencia. El FRP (Material Compuesto de Polímeros reforzado con Fibras) es una combinación de, por ejemplo, Fibras de carbono y una matriz de resina epoxídica. La fibra tiene una dirección predominante, precisamente en dicha dirección es donde posee la mayor resistencia y poca deformación en sentido longitudinal por lo tanto son fibras muy rígidas en la dirección axial. Presentan además un comportamiento excelente a la fatiga, aún mejor que la del acero y con una muy reducida densidad si se la compara con el acero. Las fibras están colocadas en dirección longitudinal la cual, corresponde a la dirección de la solicitación. Las fibras que componen las mallas de FRP aportan rigidez y resistencia mientras que la resina es flexible y poco resistente. Esta última tiene la función principal de transmitir los esfuerzos de unas fibras a otras, y entre ellas y la superficie adyacente, además de proteger a las fibras de posibles daños mecánicos y ambientales. Página 4 de 88
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Por otro lado, no solo que se gana resistencia en el elemento estructural con la aplicación del FRP sino que también se pueden reducir los desplazamientos laterales de una estructura ante acciones sísmicas o bien, es posible aumentar la ductilidad de los elementos, para ello se debe confinar al elemento con FRP situación que permite incrementar la resistencia a compresión y por lo tanto se logra un mayor módulo de elasticidad. Si se logra aumentar el módulo elástico es posible, entonces, obtener menores desplazamientos laterales. Sin embargo es importante citar que existe un límite en el refuerzo cuando se utiliza la técnica del FRP. Estudios realizados en tal sentido han demostrado que no es beneficioso reforzar con FRP una columna, por ejemplo, si está tiene una cuantía de acero longitudinal mayor al 3%. En este caso el encamisado con FRP no incrementará mayormente la resistencia a la compresión del material compuesto. Existen una serie de condiciones que el proyectista estructural debe conocer con el objeto de tomar decisiones sobre el refuerzo que realizará. En el presente capítulo se tratará el refuerzo con dos tipos de materiales: Platina de Carbono Sika CarboDur (Figura 1, izquierda) y el SikaWrap (Figura 1, derecha) ambos de la firma SIKA.
Figura 1. Platinas de carbono Sika CarboDur y Tejidos SikaWrap
En la Figura 2 a la izquierda se muestra un tejido mono direccional de fibra de carbono y a la derecha un cuadro comparativo sobre las características mecánicas de la fibra de carbono en relación con otros materiales. Existen numerosos antecedentes sobre trabajos de refuerzo estructural con FRP. Por ejemplo en la Figura 3 se muestra el refuerzo estructural a flexión y corte, realizados con fibra de carbono en una estructura emplazada en Argentina. El refuerzo horizontal incrementa la capacidad a flexión de las vigas, mientras que el vertical mejora la resistencia al corte (Comelli, 2002). La Figura 4 muestra el refuerzo de una losa en un edificio de oficinas en Atenas, Grecia. El refuerzo se realizó con platinas de carbono formando un retículo ortogonal con el objeto de aumentar la capacidad a flexión de la losa debido a un cambio de destino de la misma. En la parte superior de la Figura 5, se presenta un sector del plano estructural de una viga donde se aprecia el refuerzo a flexión en la parte inferior con ocho fibras las que han sido colocadas en dos capas ( 4 x 2 ); el ancho de las placas de fibra es de 6 cm., y el espesor 1.2 mm. En la parte inferior de la Figura 4 se muestra Página 5 de 88
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el refuerzo ya colocado, a la izquierda se observa el refuerzo a flexión en la parte inferior de la viga, mientras que el refuerzo a corte están compuestos por las láminas verticales e inclinadas (imagen derecha de la Figura 4). El esfuerzo a tracción de las fibras de carbono utilizados fue de 240 KN/cm2 y el módulo de elasticidad fue de 15500 KN/cm2.
Figura 2. Tejido mono direccional de Fibra de carbono y cuadro comparativo de características mecánicas
Figura 3. Refuerzo estructural realizada sobre una estructura de Hº Aº en Argentina (Comelli, 2002)
Figura 4. Refuerzo estructural de una losa de Hº Aº por cambio de destino de los locales en Atenas, Grecia.
Siempre con relación a la Figura 5, es importante citar que previo a proceder al refuerzo, las vigas presentaban una deformación vertical importante situación que obligó a colocar el refuerzo diagonal. Con el refuerzo la deformación vertical fue recuperada casi totalmente por las bandas diagonales las que actuaron como un refuerzo pasivo para ayudar a controlar la deformación vertical (Guerra, 2011).
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7.
Refuerzo a Flexo compresión con FRP 7.1 Puntos característicos del diagrama de interacción 7.2 Diagrama de interacción de columnas reforzadas con FRP 7.3 Método de Bank 7.4 Aplicaciones prácticas correspondientes a Flexión compuesta
8.
Refuerzo a Torsión con FRP 8.1 Configuración del refuerzo 8.2 Capacidad torsional de elementos reforzados con FRP 8.2.1 Capacidad torsional 8.3 Aplicaciones prácticas correspondientes al refuerzo a Torsión.
9.
Introducción a los mecanismos de falla por efecto de la delaminación 9.1 Energía de Fractura 9.2 Tensión última de diseño para la delaminación producida al final del tramo de refuerzo (Modo 1) 9.3 Tensión última de diseño para la delaminación producida en una sección intermedia del refuerzo (Modo 2) 9.4 Tensiones en la interface para el estado límite de servicio
REFERENCIAS
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