Estudio de la capacidad, modo de falla y deflexiones de losas de concreto de diferentes espesores y cuantías de refuerzo CFRP

Abstract

Desde hace cerca de 100 años la construcción en Colombia se ha fundamentado en los principios de la ingeniería estructural, determinados a través de códigos, con énfasis especial en las propiedades de materiales tales como el concreto y el acero, lo que ha llevado a establecer una tradición en el país de edificaciones construidas a partir de concreto reforzado con barras de acero, en este tipo de estructuras el concreto protege al acero de agresiones externas como, por ejemplo, la corrosión. No obstante, condiciones ambientales como las que se presentan en el clima de bosques tropicales o también en ambientes marinos, caracterizadas por temperaturas promedio superiores a 25 ºC con alta humedad relativa, son propicias para que las estructuras citadas experimenten ataques químicos y/o carbonatación, es así como, si el concreto por alguna razón presenta alta permeabilidad y fisuras, resulta fácilmente vulnerable a degradación y, en consecuencia, el acero al que está recubriendo se hace susceptible a corrosión, reduciendo la durabilidad general de toda la estructura. Para solucionar esta problemática se probaron nuevas combinaciones de materiales, como fue el caso del concreto reforzado con barras de fibras de vidrio o carbono, encontrándose que los polímeros reforzados con fibra (Fiber Reinforced Polymers – FRP) y los compuestos poliméricos reforzados con fibra de carbono (Carbon Fiber Reinforced Polymer – CFRP) ofrecían resultados estructurales similares a los de los materiales que se buscaba reemplazar. Sin embargo, surgieron inconvenientes debido a que, a pesar de que las barras de CFRP ofrecen alta resistencia a la tensión (de dos a tres veces la del acero) provocando que el momento de falla sea más alto, desde el punto de vista mecánico hacen frágil a la estructura debido a que poseen un menor módulo elástico, presentando inconvenientes en cuanto a su serviciabilidad debido a las altas deflexiones. Teóricamente si se espera que un elemento se agriete en una o más secciones debido a cargas de flexión que afecten su serviciabilidad, hay que tener presente la variación en la rigidez a lo largo de la longitud de dicho elemento, acorde con lo postulado en el ACI Code ACI 440.1R-15 (Teoría de Bischoff, 2011), numeral 24.2.3.5; además, la variación en el espesor de los elementos y la cuantía del refuerzo colocado modifican la rigidez y su resistencia a la flexión. Es así como para calcular el espesor de un elemento sometido a flexión, reforzado internamente con barras de FRP, se permite el uso de la Guía para el Diseño y Construcción de Concreto Estructural Reforzado con barras de FRP (ACI 440.1R-15 - ACI Committee 440, 2022), pero se debe cumplir con las deflexiones requeridas en la tabla 24.2.2 del código ACI Code 440.11-22. Asimismo, para el cálculo del momento de fisuración Mcr del elemento, se debe seguir el método contemplado en la NSR-10 C.9.5 y el ACI Code 440.11-22, numeral 24.2.3.5, y la capacidad de corte del concreto, Vc, se encuentra en el ACI Code 440.11-22 22.5.5.1 y NSR-10 C.11-3. Con base en teorías se pueden calcular los espesores necesarios de las losas para que la cuantía del refuerzo de CFRP proporcione la rigidez suficiente de modo que se cumpla con la deformación solicitada para estos elementos. En la presente investigación se adelantaron experimentos con siete losas, seis de ellas de concreto reforzado con CFRP y una con acero A706 y se analizó su comportamiento bajo cargas aplicadas en el centro de la luz. Los resultados teóricos del cálculo de los elementos ensayados se compararon contra los resultados experimentales obtenidos en el laboratorio, con el objetivo de validar qué tan cercanas están las fórmulas teóricas existentes en la ciencia actual a lo que realmente sucede en estos tipos de estructuras sometidos a cargas.

For nearly 100 years, construction in Colombia has been based on the principles of structural engineering, determined through codes, with special emphasis on the properties of materials such as concrete and steel, which has led to the establishment of a tradition in the country of buildings built from concrete reinforced with steel bars, in this type of structures the concrete protects the steel from external aggressions such as, for example, corrosion. However, environmental conditions such as those that occur in the climate of tropical forests or also in marine environments, characterized by average temperatures above 25 ºC with high relative humidity, are conducive for the aforementioned structures to experience chemical attacks and/or carbonation, This is how, if the concrete for some reason presents high permeability and cracks, it is easily vulnerable to degradation and, consequently, the steel it is covering becomes susceptible to corrosion, reducing the general durability of the entire structure. To solve this problem, new combinations of materials were tested, such as concrete reinforced with glass or carbon fiber bars, finding that fiber reinforced polymers (FRP) and polymeric compounds reinforced with carbon fiber (Carbon Fiber Reinforced Polymer – CFRP) offered structural results like those of the materials they were seeking to replace. However, problems arose because, although CFRP bars offer high tensile strength (two to three times that of steel) causing the moment of failure to be higher, from a mechanical point of view they make fragile to the structure because they have a lower elastic modulus, presenting drawbacks in terms of serviceability due to high deflections. Theoretically, if an element is expected to crack in one or more sections due to bending loads that affect its serviceability, the variation in stiffness along the length of said element must be taken into account, in accordance with what is postulated in the ACI Code 440.11-22 (Bischoff Theory, 2011), section 24.2.3.5; Furthermore, the variation in the thickness of the elements and the amount of reinforcement placed modify the rigidity and its resistance to bending. Thus, to calculate the thickness of an element subjected to bending, internally reinforced with FRP bars, the use of the Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP bars (ACI 440.1R-15 - ACI Committee) is permitted. 440, 2022), but the deflections required in table 24.2.2 of ACI Code 440.11-22 must be met. Likewise, to calculate the cracking moment Mcr of the element, the method contemplated in NSR-10 C.9.5 and ACI Code 440.11-22, section 24.2.3.5, and the shear capacity of the concrete, Vc, must be followed. is found in ACI Code 440.11-22 22.5.5.1 and NSR-10 C.11-3. Based on theories, the necessary thicknesses of the slabs can be calculated so that the amount of CFRP reinforcement provides sufficient rigidity so that the requested deformation for these elements is met. In the present investigation, experiments were carried out with seven slabs, six of them made of concrete reinforced with CFRP and one with A706 steel, and their behavior was analyzed under loads applied in the center of the span. The theoretical results of the calculation of the tested elements were compared against the experimental results obtained in the laboratory, with the aim of validating how close the theoretical formulas existing in current science are to what really happens in these types of structures subjected to loads. In the present investigation, it was proposed to find how the change in thickness influences the improvement of the serviceability of elements such as slabs and beams reinforced with CFRP, and it was found that structures reinforced with CFRP need a greater amount of reinforcement than those made of steel to avoid large deflections and cracking develop in the case of CFRP bar reinforcement. The research indicated that deformation can be cushioned by designing structures that combine a greater thickness of concrete and a greater amount of CFRP reinforcement, providing these elements with greater control over the diagonal cracking produced by shear stresses. As a conclusion of the experimentation, it was possible to calculate the necessary thicknesses of slabs so that the amount of CFRP reinforcement provides the structural elements with sufficient rigidity so that the deformation and resistance to bending moments and shear forces of these elements are in line with what is required in the NSR-10 standard.