Comportamiento ante carga perpendicular al plano, de muros de mampostería en concreto, reforzados con barras de FRP

Abstract

Los polímeros reforzados con fibras – FRP “Fiber Reinfroced Polymers” –, han surgido desde la década del noventa del siglo pasado, como una alternativa de reforzamiento de estructuras. Tienen a su favor, alta resistencia a la tensión, alta resistencia a la corrosión y no tiene conductividad; su diseño se basa en la capacidad ante cargas gravitacionales y aún no ha sido aceptado para reforzar estructuras que están sometidas a fuerzas sísmicas. En EEUU el comité ACI 440, especifica las guías de diseño, relacionadas con el reforzamiento tanto interno como externo de estructuras considerando como material de reforzamiento el FRP, tanto en su presentación de barras como de bandas; es así como la guía ACI 440.1R-15, “Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars” presenta las recomendaciones para el diseño de estructuras nuevas en concreto con refuerzo interno en barras de FRP. Por otro lado, en lo relacionado con la mampostería, la guía ACI.440.7R-10 “Guide For The Design And Construction Of Externally Bonded Fiber-Reinforced Polymer Systems For Strengthening Unreinforced Masonry Structures” define los criterios para el diseño de mampostería reforzada externamente con bandas de FRP; evidenciando la no existencia de una normativa para diseñar mampostería reforzada internamente con barras de FRP. Dado el vacío encontrado en las guías del ACI internacional en lo referente al uso de barras de FRP como refuerzo interno de muros de mampostería y dadas las amplias ventajas que ofrecería su uso, se planteó un programa experimental macro, donde inicialmente se realizaría una primera investigación para evaluar la capacidad ante cargas perpendiculares al plano de muros de mampostería reforzados internamente con barras de FRP, con el fin de generar un protocolo de diseño preliminar para evaluar la capacidad teórica de dichos muros, tomando como base los requisitos especificados en el: ACI 440.1R-15 y el código que especifica los requerimientos para el diseño de Estructuras de Mampostería, TMS 402-16 “Building Code Requirements for Masonry Structures”. Dentro del programa experimental, se construyeron y ensayaron 16 muros de mampostería en concreto distribuidos así: 2 reforzados con acero convencional y 14 reforzados con FRP. La longitud de los muros varío desde 1.0 m hasta 1.8 m, con cuantías del 0.13% al 0.45%. El espesor de los muros fue de 14 cm y el alto de 220 cm. Se midieron deformaciones unitarias en las barras de refuerzo mediante galgas e igualmente se registraron las deflexiones en la mitad de la altura de los especímenes mediante LVDT – “Linear Variable Differential Transformer” –. Haciendo una relación entre los datos teóricos y experimentales, de la capacidad a flexión de los muros, se encontró que esta relación fue mayor a 1.0 para los muros de menores cuantías de refuerzo y mayores separaciones entre barras. Se pudo observar que para un desplazamiento límite en la mampostería de 0.007h en muros reforzados con acero, los muros reforzados con FRP permitían un desplazamiento máximo de 0.018h. Los muros reforzados con FRP al ser sometidos a su máxima capacidad presentaron un comportamiento de deflexiones elásticas y recuperables, presentando la ventaja de poder ser reparados debido a que su material de refuerzo, no presenta una zona de plasticidad y su comportamiento es elástico hasta la falla. El modo de falla presentado en los muros reforzados con FRP fue por aplastamiento en la mampostería coincidiendo con la falla teórica esperada.

Fiber Reinforced Polymers have emerged since the 1990s as an alternative to reinforcing structures. Have in their favor, high tensile strength, high modulus of elasticity, high corrosion resistance and no conductivity; its design is based on the capacity before gravitational loads and has not yet been accepted to reinforce structures that are subjected to seismic forces. In the USA, the ACI 440 committee specifies the design guidelines related to the internal and external reinforcement of structures, considering the FRP as a material, both in its presentation of bars and bands; this is how ACI Guide 440.1R-15, "Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars" presents the recommendations for the design of new concrete structures with internal reinforcement in FRP bars. On the other hand, in relation to the masonry, the guidebook ACI.440.7R-10 "Guide For The Design And Construction Of Externally Bonded Fiber Reinforced Polymer Systems For Strengthening Unreinforced Masonry Structures" defines the criteria for the design of externally reinforced masonry with bands of FRP; evidencing the nonexistence of a regulation to design reinforced masonry internally with FRP bars. Given the gap found in the international ACI guidelines regarding the use of FRP rods as internal reinforcement of masonry walls and given the wide advantages that would be offered, a macro experimental program was generated, where an initial investigation would be carried out initially to evaluate the load capacity perpendicular to the plane of masonry walls reinforced internally with FRP bars and to generate a preliminary design protocol to evaluate the theoretical capacity of these walls, based on the requirements specified in: ACI 440.1R-15 and The code that specifies the requirements for the design of Masonry Structures, TMS 402-16 "Building Code Requirements for Masonry Structures". Within the experimental program, 16 types of concrete masonry walls were constructed and tested, 2 reinforced with conventional steel and 14 reinforced with FRP. The length of the walls varies from 1.0 m to 1.8 m, with amounts ranging from 0.13% to 0.45%. The thickness of the walls was 14 cm and the height of 203 cm. Unit deformations on the reinforcing bars were measured by gauges and the deflections were also recorded at half height of the specimens by LVDT - Linear Variable Differential Transformer. By making a relation between the theoretical and experimental data, of the flexural strength of the walls, it was found that this ratio was greater than 1.0 for the walls of smaller amounts of reinforcement and greater separations between bars. It was observed that for a limit displacement in the masonry of 0.007h in walls reinforced with steel, the walls reinforced with FRP would allow a maximum displacement of 0.018h. The walls to be submitted to their maximum capacity presented a behavior of totally elastic and recoverable deflections, presenting the advantage of being able to be repaired because its reinforcement material does not present a zone of plasticity and its behavior is elastic until failure. The failure mode presented in the walls reinforced with FRP was by crushing in the masonry coinciding with the theoretical failure.