Definición de una expresión matemática que permita evaluar en función del diámetro el traslapo mínimo de las barras GFRP utilizadas como refuerzo interno de muros de mampostería ante cargas fuera del plano

Abstract

Una de las principales necesidades de la sociedad es contar con una vivienda propia que les brinde seguridad y confort; teniendo en cuenta esto, el sector de la construcción, para el año 2021, ha alcanzado una cifra sin precedentes en cuanto a la venta de viviendas nuevas en Colombia, cerca de 239 mil viviendas fueron comercializadas el año anterior. Los sistemas estructurales que predominan en este importante auge del crecimiento de la construcción, son los sistemas industrializados de muros de concreto y las edificaciones de muros portantes en mampostería estructural, en los que, mediante la utilización de unidades de mampostería, de concreto o arcilla, unidos por un mortero de pega, se construyen los elementos encargados de soportar tanto las fuerzas verticales, como las fuerzas dinámicas a las cuales se puede ver sometida la estructura. Teniendo en cuenta las características geométricas de las unidades de mampostería utilizadas, es posible disponer barras de refuerzo dentro de sus celdas, los cuales se vinculan al comportamiento del muro, mediante la utilización de un mortero fluido. Como es bien sabido, las barras que convencionalmente se utilizan para el refuerzo de las edificaciones de muros portantes, es el acero estructural. Su capacidad de ductilidad y su perfecta articulación con el mortero fluido permiten garantizar un trabajo en conjunto de los elementos estructurales dispuestos para soportar las cargas externas. Sin embargo, la corrosión del acero de refuerzo es uno de los factores que más llegan a afectar la estabilidad de la estructura, debido a la pérdida de adherencia entre la barra de refuerzo y el mortero hidráulico circundante disminuyendo la capacidad estructural del elemento. En vista de la afectación que puede llegar a tener la corrosión en la estabilidad de una estructura, desde hace más de 3 décadas se han desarrollado diferentes programas de investigación en elementos de concreto utilizando barras compuestas de polímeros reforzados con fibras – Fiber Reinforced Polymers, (FRP, por sus siglas en inglés) –como refuerzo interno del elemento en reemplazo del acero tradicional. Algunas de sus propiedades mecánicas más atractivas para implementarlas en la construcción son: alta resistencia a la tensión, alta resistencia a la corrosión y no tiene conductividad. En países como Estados Unidos, Canadá y China se han implementado en sus normas de diseño la utilización de barras de FRP como refuerzo interno en elementos de concreto y en el mes de septiembre del presente año se publicó el documento ACI CODE-440.11-22: Building Code Requirements for Structural Concrete Reinforced with Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) Bars—Code and Commentary que presenta los requisitos de diseño de elementos de concreto reforzado internamente con barras de FRP. Por otra parte, las investigaciones en cuanto al uso de este material de refuerzo en elementos de mampostería no han sido muy extensa. Debido a esto, en las normas de diseño aún no se definen los requisitos mínimos a tener en cuenta a la hora del diseño estructural de muros reforzados internamente con barras de Glass Fibers Reinforced Polymers (GFRP, por sus siglas en inglés). Solo hasta el pasado mes de junio del presente año, fue incluido un apéndice que contempla el uso de las barras de GFRP como refuerzo interno de la mampostería en la nueva versión del TMS-402 TMS 402/602-22 Building Code Requirements and Specification for Masonry Structures. En la Escuela Colombiana de Ingeniería, ya se han llevado a cabo algunas investigaciones relacionadas con el estudio del comportamiento mecánico de muros de mampostería sometidas a cargas fuera del plano, tanto de concreto como de arcilla, reforzados internamente con barras continuas de FRP que han servido de base para complementar el apéndice del TMS 402/602-22. Dando continuidad a los estudios realizados en la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, relacionados con el comportamiento de la mampostería reforzada internamente con barras de FRP, el presente proyecto de investigación consistió en la ampliación de una primera fase experimental, en la cual se evaluó el comportamiento mecánico de muros de mampostería de concreto reforzados internamente con barras de GFRP sometidos a cargas fuera del plano. Algunas de las variables que se evaluaron del comportamiento de estos fue: resistencia a la flexión del muro, considerando diferentes diámetros de la barra, ubicación de la barra de refuerzo dentro de la celda y la longitud de traslapo. Para el análisis del comportamiento estructural de los muros, se contó con 21 muros en total, reforzados con barras de GFRP #4, #5 y #6. Algunas de las barras dentro de las celdas se encontraban traslapadas, esta longitud de traslapo fue definida en función de las ecuaciones establecidas en el documento del ACI 440-1R-15, en el cual se establecen los requisitos mínimos para el análisis y diseño de estructuras de concreto reforzadas con barras de FRP. La capacidad a flexión fuera del plano de estos muros reforzados con barras traslapadas, fueron comparados con la capacidad de los muros control, los cuales estaban reforzados con el mismo diámetro de barras de GFRP, pero estas eran continuas. Todos los especímenes tenían una altura total de 2.20 metros, espesor de 0.19 metros y longitud horizontal variable. Teniendo en cuenta los resultados experimentales obtenidos de cada uno de los especímenes de ensayo, se observó un comportamiento elástico hasta la falla para todos los muros. El comportamiento mecánico de las barras de refuerzo de GFRP permitió la recuperación, de aproximadamente el 73% de la deflexión máxima generada por la acción de cargas por fuera del plano. Por otra parte, los muros reforzados con barras traslapadas presentaron menores deflexiones en la mitad de la altura con respecto a los muros control, reforzados con barras continuas. Esto se atribuye al aumento en la rigidez del muro, debido a la presencia de las barras de refuerzo traslapadas en la zona central del muro. En promedio, para todos los muros ensayados, se tuvo una reducción de aproximadamente un 35% de la deflexión máxima desarrollada en los muros control. Finalmente, se desarrolló un modelo matemático para evaluar en función del diámetro, la longitud de traslapo mínima de las barras de GFRP utilizadas como refuerzo interno de muros de mampostería de concreto. Con este modelo matemático planteado, la longitud de traslapo para muros de mampostería puede ser aproximadamente el 70% de la longitud evaluada inicialmente con la ecuación establecida en el documento del ACI 440.1R-15 para el diseño de elementos de concreto reforzados con barras de FRP.

One of the main needs of society is to have a home of their own that provides them with security and comfort; taking this into account, the construction sector, for the year 2021, has reached an unprecedented figure in terms of sales of new homes in Colombia, about 239 thousand homes were marketed last year. The structural systems that predominate in this important construction growth boom are industrialized concrete wall systems and structural masonry load-bearing wall buildings, in which, through the use of concrete or clay masonry units, joined by a mortar glue, the elements responsible for supporting both the vertical forces and the dynamic forces to which the structure may be subjected are built. Taking into account the geometrical characteristics of the masonry units used, it is possible to place reinforcing bars inside their cells, which are linked to the behavior of the wall, through the use of a fluid mortar. As is well known, the bars conventionally used for the reinforcement of load-bearing wall buildings are structural steel. Its ductility capacity and its perfect articulation with the fluid mortar allow to guarantee a joint work of the structural elements prepared to support the external loads. However, corrosion of the reinforcing steel is one of the factors that most affect the stability of the structure, due to the loss of adherence between the reinforcing bar and the surrounding hydraulic mortar, reducing the structural capacity of the element. In view of the effect that corrosion can have on the stability of a structure, for more than 3 decades different research programs have been developed on concrete elements using Fiber Reinforced Polymers (FRP) as internal reinforcement of the element in replacement of traditional steel. Some of its most attractive mechanical properties for implementation in construction are: high tensile strength, high corrosion resistance and no conductivity. In countries such as the United States, Canada and China, the use of FRP bars as internal reinforcement in concrete elements has been implemented in their design standards and in September of this year ACI CODE-440.11-22: Building Code Requirements for Structural Concrete Reinforced with Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) Bars-Code and Commentary was published, which presents the design requirements for concrete elements internally reinforced with FRP bars. On the other hand, research on the use of this reinforcement material in masonry elements has not been very extensive. Because of this, the design standards still do not define the minimum requirements to be taken into account when structurally designing walls internally reinforced with Glass Fibers Reinforced Polymers (GFRP) bars. Only last June of this year, an appendix that contemplates the use of GFRP bars as internal masonry reinforcement was included in the new version of TMS-402 TMS 402/602-22 Building Code Requirements and Specification for Masonry Structures. At the Colombian School of Engineering, some research related to the study of the mechanical behavior of masonry walls subjected to out-of-plane loads, both concrete and clay, internally reinforced with continuous FRP bars has already been carried out and has served as a basis to complement the appendix of TMS 402/602-22. Giving continuity to the studies carried out at the Colombian School of Engineering Julio Garavito, related to the behavior of masonry internally reinforced with FRP bars, the present research project consisted of the extension of a first experimental phase, in which the mechanical behavior of concrete masonry walls internally reinforced with GFRP bars subjected to out-of-plane loads was evaluated. Some of the variables evaluated were: flexural strength of the wall, considering different bar diameters, location of the reinforcing bar within the cell and the overlap length. For the analysis of the structural behavior of the walls, a total of 21 walls were reinforced with #4, #5 and #6 GFRP bars. Some of the bars inside the cells were overlapped, this overlap length was defined according to the equations established in the ACI 440-1R-15 document, which establishes the minimum requirements for the analysis and design of concrete structures reinforced with FRP bars. The out-of-plane flexural capacity of these walls reinforced with lapped bars were compared with the capacity of the control walls, which were reinforced with the same diameter of GFRP bars, but these were continuous. All specimens had a total height of 2.20 m, thickness of 0.19 m and variable horizontal length. Taking into account the experimental results obtained from each of the test specimens, elastic behavior up to failure was observed for all the walls. The mechanical behavior of the GFRP reinforcing bars allowed the recovery of approximately 73% of the maximum deflection generated by the action of out-of-plane loads. On the other hand, the walls reinforced with overlapping bars showed lower deflections in half of the height with respect to the control walls, reinforced with continuous bars. This is attributed to the increase in wall stiffness, due to the presence of the overlapping reinforcing bars in the central zone of the wall. On average, for all the tested walls, there was a reduction of approximately 35% of the maximum deflection developed in the control walls. Finally, a mathematical model was developed to evaluate, as a function of the diameter, the minimum overlap length of the GFRP bars used as internal reinforcement of concrete masonry walls. With this mathematical model, the overlap length for masonry walls can be approximately 70% of the length initially evaluated with the equation established in the ACI 440.1R-15 document for the design of concrete elements reinforced with FRP bars.