Influencia de la disposición de anclajes de fibra de carbono en la resistencia al despegue de refuerzos adheridos en estructuras de hormigón

Résumé

El uso de materiales compuestos (FRP) para reparar y reforzar estructuras existentes de hormigón se ha incrementado considerablemente en los últimos tiempos convirtiéndose en una alternativa a los métodos tradicionales de refuerzo. Los sistemas de refuerzo de FRP suelen emplearse en estructuras de hormigón existentes que se consideran estructuralmente deficientes debido a un posible deterioro, errores en la concepción del diseño o en la ejecución, o a un aumento de cargas debido a cambios de uso de la estructura. Entre las múltiples aplicaciones de refuerzos de FRP en estructuras de hormigón destacan el confinamiento de pilar de hormigón (principalmente las de sección circular, donde adquiere la máxima eficacia), el refuerzo a flexión y cortante de vigas y los refuerzos a flexión de forjados tanto unidireccionales como bidireccionales. Se emplean tanto sistemas adheridos superficialmente como parcialmente embebidos en el soporte, siendo el primero el más utilizado. Además de poder utilizarse en una amplia gama de aplicaciones como refuerzo estructural, el FRP ofrece múltiples ventajas sobre las técnicas de refuerzo tradicionales. Los materiales de FRP son significativamente más ligeros que la mayoría de los materiales utilizados tradicionalmente como refuerzo, tienen una elevada resistencia a tracción y una buena durabilidad si la comparamos con la durabilidad del acero. Sin embargo, la eficacia de los refuerzos a flexión de FRP adheridos externamente se encuentra limitada por el fallo prematuro por despegue, el cual impide el aprovechamiento total de las propiedades del material. Esta limitación está contemplada en las diferentes normativas existentes para refuerzos de hormigón con FRP, que la expresan en términos de deformación máxima o de resistencia máxima de adherencia. Esto tiene como objetivo restringir la tensión de trabajo del FRP para prevenir el fallo por despegue. El modo de fallo por despegue ha sido reconocido como el más habitual en los refuerzos exteriores de FRP, por lo que diferentes investigadores han desarrollados métodos de ensayo y modelos de cálculo para estimar la resistencia de adherencia de la interfaz. La mayoría de los modelos incluyen también expresiones para calcular la longitud efectiva de transferencia de tensiones. Entendiendo por longitud efectiva a la longitud a partir de la cual, el incremento de la longitud adherida no produce un incremento en la resistencia. De esta forma puede estimarse la resistencia máxima de adherencia, aplicando coeficientes de minoración en los casos en los que la longitud adherida sea menor que la efectiva. Con el objetivo de retrasar o eliminar el fallo prematuro por despegue en elementos sometidos a flexión y cortante se han desarrollado múltiples sistemas de anclaje para refuerzos de FRP. Estos sistemas buscan incrementar la capacidad de transferencia de la interfaz cuando la longitud de adherencia es menor que la efectiva, o en su caso, aportar un mecanismo de transferencia de tensiones cuando no haya longitud de adherencia disponible para prolongar el refuerzo. Los sistemas de anclajes para refuerzos de FRP pueden clasificarse como: superficiales, embebidos o mixtos los cuales resultan de una combinación de los dos sistemas anteriores. Para definir cuál de las alternativas disponibles es la idónea, se deberá considerar la disponibilidad de superficie libre en los extremos del refuerzo y el modo de trabajo de los anclajes. Entre las diferentes alternativas de anclajes para refuerzos de FRP, destacan los anclajes de FRP, conocidos también como spike anchors, que, al ser fabricados con el mismo material del refuerzo, garantizan su compatibilidad tanto con el soporte como con el refuerzo, facilitando su instalación en diferentes elementos estructurales. La mayoría de las investigaciones relacionadas con anclajes de FRP hasta la fecha se han realizado con anclajes manufacturados por los propios autores a partir de tejidos de fibra enrollados. Alternativamente, pueden utilizarse anclajes fabricados a partir de cordones de fibra. En términos de fabricación e instalación los anclajes pueden clasificarse como: instalados en fresco y endurecidos o pre-impregnados. La principal diferencia entre estos sistemas de instalación es el momento en el cuál, el tramo de anclaje que será embebido en el soporte es impregnado respecto al momento de su instalación. Los esfuerzos para caracterizar el comportamiento de los anclajes de FRP han incluido ensayos de arrancamiento en conectores aislados, ensayos de corte en conectores aislados y principalmente ensayos de corte en refuerzos anclados. Los ensayos en conectores aislados permitieron identificar algunos parámetros que afectan la resistencia unitaria de los conectores. Entre estos parámetros los más críticos son la longitud embebida, el ángulo de inserción y el radio de doblado. Por otra parte, los ensayos con refuerzos anclados han revelado la influencia de diferentes parámetros geométricos relacionados con el soporte, el refuerzo y el anclaje. La presente tesis doctoral está conformada por dos fases experimentales que consistieron en la realización de ensayos de corte simple en refuerzos de FRP externamente adheridos y anclados, la primera en refuerzos estrechos con un único anclaje, y la segunda en refuerzos anchos con un único y múltiples anclajes. Las principales variables estudiadas son: la posición del anclaje respecto al extremo cargado, la disposición del tramo libre del anclaje y la influencia del ancho del refuerzo y el número de anclajes utilizados. En base a los resultados obtenidos se pudo establecer que la disposición de un anclaje permite resistir cargas de más del doble que las logradas con el mecanismo adherente en un refuerzo sin anclar. Se observó que tanto la posición del anclaje respecto al extremo cargado como la longitud adherida delante y detrás del anclaje afectan la carga máxima que el conjunto puede resistir. Por otra parte, disponer el tramo libre del anclaje entre dos capas de tejido no solo permite alcanzar resistencias de adherencia mayores sino también conseguir un modo de fallo más dúctil. Para refuerzos con un único anclaje, la contribución se ve reducida cuando se incrementa el ancho del refuerzo; lo que demuestra que existe un ancho máximo de lámina de FRP que puede ser anclado óptimamente con un único conector. En términos de aprovechamiento de las propiedades del material e incremento en la resistencia, usar un único conector en refuerzos estrechos puede ser equivalente a usar múltiples anclajes en refuerzos anchos de FRP, siempre y cuando se utilice una configuración adecuada de las demás variables involucradas en el comportamiento de refuerzos anclados. Con los resultados obtenidos en las fases experimentales y los existentes en la bibliografía se desarrolló un modelo empírico de cálculo que permite estimar la resistencia al despegue de refuerzos de FRP adheridos externamente y anclados con conectores de FRP, el modelo propuesto, considera los parámetros geométricos tanto del soporte, como del refuerzo y el anclaje involucrados en el comportamiento del conjunto. Se ha desarrollado una expresión que sirve como punto de partida para estimar la tensión de máxima en la interfaz FRP-soporte de refuerzos anclados cuando se utilizan anclajes de FRP. Finalmente, se propuso un modelo de elementos finitos para estudiar analíticamente el comportamiento de refuerzos con fibra de carbono adheridos externamente y anclados con conectores de FRP en soportes de hormigón. Para esto se replicaron los ensayos de corte simple realizados en la campaña experimental. Esta simulación sirvió además para evaluar la capacidad predictiva del modelo empírico propuesto utilizando los resultados obtenidos en la simulación para series que no fueron ensayadas experimentalmente, observándose una buena sensibilidad para los parámetros definidos como más influyentes en el comportamiento de refuerzos anclados con conectores de FRP con una buena precisión.