Estudio teórico-experimental de vigas de hormigón armado reforzadas externamente a cortante mediante materiales compuestos de matriz polimérica insertados en el recubrimiento

Resumen

Por múltiples razones, cada día es más frecuente tener que recurrir al refuerzo de estructuras: errores en el proyecto, ejecución o conservación; necesidad de adaptarse a nuevas cargas por cambio de uso; deterioro del patrimonio histórico o, simplemente, construido; accidentes o fallos locales; corrosión de las partes metálicas; etc. Existen técnicas de reparación clásicas: empleo de recrecidos de hormigón, empresillados metálicos, pegado de chapas de acero, etc. que han sido ampliamente utilizadas y que han sabido resolver el problema del refuerzo, tanto a flexión, cortadura o compresión en pilares. Sin embargo, estas técnicas presentan algunos problemas comunes que dificultan su utilización: son muy laboriosas, con largos periodos de interrupción del servicio; cambian las dimensiones de la estructura; aumentan el peso u originan nuevos problemas de corrosión. Por estas razones cada vez es más frecuente recurrir al refuerzo con los nuevos materiales compuestos de polímeros reforzados con fibras (usualmente denominados FRP por sus siglas en inglés). Estos materiales permiten el refuerzo disminuyendo sensiblemente o eliminando los problemas indicados arriba. Son materiales muy ligeros y de altas resistencias, no sensibles a la corrosión, que no cambian las dimensiones de la pieza reforzada ni aumentan su peso. Con este material, el FRP, en sus distintas formas, láminas pultrusionadas o laminados conformados in situ a partir de tejidos de fibra, esencialmente, es posible reforzar pilares a compresión mediante el zunchado, o vigas o forjados a flexión o cortante suplementando la armadura de tracción interna existente con tejidos o laminados pegados en la zona de tracción. El mayor uso hasta ahora ha sido mediante el pegado externo de estos elementos, pero esta técnica tiene algunos problemas: despegue prematuro sin alcanzar tensiones próximas a la rotura, sensibilidad del material a las temperaturas elevadas, debido al uso de resinas epoxi, o al vandalismo. Una nueva técnica, denominada por sus siglas inglesas NSM (Near-Surface Mounted), inserta pequeñas barras o láminas de fibra de carbono, CFRP, en ranuras efectuadas en el recubrimiento de hormigón y rellenadas con resina epoxi u otros materiales, mejorando el comportamiento en los aspectos indicados. En el caso del refuerzo a cortante se realizan las ranuras en el alma de la viga, principalmente verticales o a 45º en la zona que se quiera reforzar. El estudio y la aplicación de esta técnica va en aumento, pero las aplicaciones prácticas son aún muy limitadas debido a la dificultad de encontrar un método de cálculo unánimemente aceptado para el esfuerzo cortante, incluso en hormigón armado y más, evidentemente, si añadimos un tercer material. Por lo que es necesario un mayor número de estudios que permitan establecer métodos de cálculo fiables. Aunque el NSM mejore las condiciones de adherencia, la pérdida de ésta sigue siendo la causa principal del fallo de las vigas reforzadas y más en el caso de cortante donde las longitudes de adherencia suelen estar muy limitadas. La adherencia de las láminas o barras de CFRP a la resina y ésta a la superficie del hormigón depende de múltiples factores. Por ello en esta tesis se ha llevado a cabo un programa experimental para caracterizar la adherencia de las barras y láminas que iban a ser utilizadas en el refuerzo a cortante mediante la disposición de ensayo denominado ensayo de la viga. El programa ha contado con un total de 25 vigas, que debido al carácter independiente de cada una de las dos mitades han permitido realizar un total de 50 determinaciones de adherencia usando tres longitudes de adherencia: 48, 96 y 144 mm. Este programa ha permitido caracterizar la fuerza de arrancamiento máxima en la barra/lámina antes del deslizamiento y la tensión máxima de adherencia para esas longitudes ensayadas, con la posible interpolación entre ellas. El objetivo prioritario de la tesis era determinar la resistencia de vigas de hormigón insuficientemente armadas a cortante y posteriormente reforzadas mediante NSM CFRP para suplir esa condición. Para ello se ha realizado un programa experimental formado por 17 vigas de tamaño real: 3750 mm de longitud y una sección transversal de 200 mm de ancho y 350 mm de altura. Se estudiaron las siguientes variables: barras de 8 mm de diámetro o láminas de 2,5 x 15 mm; uso de 3 o 6 barras/láminas insertadas dentro de la luz de cortante; y orientación vertical a 90º o a 45º. También se ensayó una viga patrón no reforzada y se consideraron dos vigas idénticamente reforzadas. Además, el armado externo e interno era simétrico y se pudieron ensayar de forma independiente cada uno de los extremos de cada viga, obteniendo, por tanto, cuatro ensayos idénticos para cada tipo de refuerzo (dos para la viga patrón). Este programa ha permitido, fundamentalmente, establecer que el refuerzo a cortante con NSM CFRP es una técnica sencilla con la que se consiguen incrementos de resistencia importantes, hasta del 80% en nuestro caso. También ha permitido establecer unos límites de uso adecuado del refuerzo (utilizando, claro, los elementos usados en el programa) de forma que el refuerzo con tres barras/láminas a 90º se ve que no aporta incremento sensible de resistencia; mientras que el refuerzo con 6 barras/láminas a 45º no supone un incremento importante de resistencia frente a menores armados por producirse en este caso rotura prematura de la viga por despegue de todo el recubrimiento.