En este artículo, publicado originalmente por la revista Structure Magazine, se analiza de qué manera los sistemas FRC y FRCM (en sus siglas en inglés) pueden ser alternativas para los métodos tradicionales de refuerzo y reparación de estructuras de hormigón y mampostería.
Autor: Kevin Guodarzi, P.E.. Máster en Ciencias de la Ingeniería Civil de la Universidad Industrial Sharif, en Irán. Ingeniero estructural forense en EFI Global e integrante del ASCE.
La industria de la construcción busca constantemente innovar, investigar y mejorar sus materiales y tecnologías en pos de un futuro sostenible. Los polímeros reforzados con fibras de carbono (CFRP, en sus siglas en inglés) se utilizan principalmente en el refuerzo y rehabilitación de estructuras (Fig. 1). Este artículo destaca el uso de los polímeros reforzados con fibras (FRP, en sus siglas en inglés) y de matrices cementosas reforzadas con fibras (FRCM, en inglés) en la reparación de nuevos proyectos de construcción.
Razones para reparar en una construcción nueva
Actualización de la capacidad de carga
Muchas razones que pueden provocar el cambio en el sistema de carga incluyen el aumento de las cargas vivas, la instalación de nuevos equipos y el cambio en el uso o desempeño de la edificación. Por ejemplo, convertir un edificio que se diseñó para carga residencial a un espacio comercial como un mall o un edificio de estacionamientos, es una idea de lo que se refiere el cambio de uso e incremento en las cargas vivas. También, cambios en las unidades mecánicas de un edificio pueden generar nuevas cargas y puede requerir de reparación o refuerzo de la estructura.
Daño
El daño puede que puede hacer necesaria la reparación incluye el impacto de un vehículo o de una grúa, incendio y explosiones. Por ejemplo, camiones que transporten materiales como grava, tierra, hormigón, etcétera, pueden impactar en la estructura y provocar daño a la nueva edificación. Un error de cálculo de las cargas para elegir la grúa apropiada para el proyecto, o daño provocado por el viento en las grúas, puede causar serios daños a los nuevos proyectos. Puede producirse un incendio durante la soldadura o con cualquier aplicación que utilice un soplete. Las explosiones pueden resultar del almacenamiento poco adecuado de materiales químicos o de ataques terroristas.
Temas medioambientales
Temas medioambientales como la lluvia, la nieve o la temperatura pueden afectar la calidad del hormigón, lo que puede llevar a una reparación estructural en un nuevo proyecto de construcción.
Diseño
Si los elementos estructurales son de menor tamaño debido a un diseño mal ejecutado, las deficiencias estructurales como desviaciones pueden resultar durante o después de terminar la nueva construcción, cuando todas las cargas ya se aplicaron. Estos temas estructurales llevan necesariamente a reparaciones.
Los cambios en el diseño durante la construcción también pueden necesitar reparaciones o refuerzos de la estructura. Por ejemplo, cambiar la ubicación de un baño puede alterar las ubicaciones de los tubos de desagüe y hacer nuevos orificios en una losa de hormigón puede cortar las barras de refuerzo embebidas en el elemento, requiriendo de un refuerzo para compensar por una reducción en la capacidad estructural debido a las barras de refuerzo cortadas.
Temas Constructivos
Una construcción deficiente puede cubrir muchos elementos que un contratista puede pasar por alto o realizar de manera incorrecta, incluyendo errores en el diseño, encoframiento y apuntalamiento inadecuados, sobrecargando la estructura durante la construcción y baja resistencia del hormigón. La falta o colocación inadecuada de las barras de refuerzo o de cables PT en una losa de hormigón, una mala calidad del hormigón y fisuraciones de gran ancho son ejemplos de una construcción deficiente (Fig. 2).
Errores con elementos estructurales tales como dimensiones/calibrado incorrectos de una columna o viga de hormigón, o un apuntalamiento deficiente para soportar a la losa o viga de hormigón, pueden llevar a una deflexión excesiva que necesita reparación durante el proceso de construcción. Almacenar materiales de construcción en la estructura puede sobrecargarla y provocar deflexión excesiva y daño. Si la resistencia del hormigón colocado es menor a la resistencia del diseño, puede suceder un colapso estructural parcial o mayor, lo que hace necesaria una reparación estructural.
Otros temas podrían ser desde la etapa de excavación y fundación hasta la finalización del proyecto. Los errores de construcción en la etapa de fundación pueden indicar fisuras o asentamientos durante la construcción y posterior a que el edificio esté completo. Una soldadura deficiente de las estructuras de acero puede requerir de reparación estructural.
Polímero Reforzado con Fibra (FRP)
Los sistemas de polímeros reforzados con fibra (FRP, en sus siglas en inglés) vienen utilizándose desde mediados de los años 1980 para reforzar y modernizar a las estructuras de hormigón. Los sistemas de FRP se desarrollaron como alternativas a las técnicas tradicionales de refuerzo externo del hormigón armado, tales como los métodos de revestimiento con acero o con hormigón.
El polímero reforzado con fibra es un material compuesto que consiste en fibra y polímero. La fibra generalmente es de carbono, vidrio o aramida, siendo la fibra de carbono la que se utiliza mayormente en refuerzo y renovación estructural. La fibra entrega la resistencia y rigidez mientras que el polímero actúa como una matriz cohesiva que protege y mantiene unidas a las fibras. El FRP se utiliza para sistemas de refuerzo estructural confiables y de alto desempeño. Los sistemas de FRP son ampliamente utilizados para el refuerzo de edificios y otras estructuras con cargas dinámicas y estáticas, brindando durabilidad a largo plazo en la vida útil de estos elementos. El FRP se fabrica como franjas, barras y sábanas que se aplican sobre el hormigón, acero o superficies de mampostería.
Los elementos estructurales donde se pueden aplicar los sistemas FRP son columnas, vigas, losas, muros, pilotes y tapas de muelle (Fig. 3). El FRP es aplicable a muchos tipos de estructuras tales como túneles, tuberías y minas, tanques, silos, chimeneas, espacios de estacionamiento, puentes, muelles y edificaciones comerciales e industriales.
Existen muchas ventajas al momento de utilizar sistemas de FRP como una solución de refuerzo o de reparación estructural. Los materiales del FRP son livianos e ideales para aplicaciones verticales o elevadas. La reparación y refuerzo de las estructuras se llevan a cabo utilizando una capa delgada capa del material. Los sistemas de FRP poseen un impacto estético muy bajo y se ajustan a las formas existentes, tienen una resistencia a la tracción extremadamente alta y son fáciles de instalar. Los sistemas de FRP presentan una excelente resistencia a los químicos y a la corrosión y el envío de estos materiales no es peligroso. El fortalecimiento estructural logrado con FRP es una solución eficiente y puede realizar en estructuras de hormigón y acero. El pretensado de las fibras FRP es posible en el terreno si es necesario y es compatible con varios acabados y revestimientos protectores.
Como otros materiales, los sistemas de FRP poseen algunos inconvenientes. Las fibras FRP no se desempeñan a temperaturas elevadas. Temperaturas altas pueden provocar la falla en la matriz epóxica y en las fibras FRP. Los FRP pueden verse afectados por la radiación ultravioleta (UV) en zonas expuestas al sol, como las columnas de puentes. El comportamiento de los sistemas FRP bajo carga es lineal hasta su fallo, lo que significa que no indica señal alguna como deflexión antes de que ocurra el fallo, y el modo de fallo es repentino sin previo aviso.
Matriz Cementosa Reforzada con Fibra (FRCM)
El FRCM viene utilizándose en Europa desde la última década y ahora su uso emerge en los Estados Unidos. Este sistema es como el de fibras FRP, con la diferencia que el FRCM se aplica mediante material cementoso en lugar de polímero en el sistema (Fig. 4). El material de envoltura del sistema FRCM puede ser Fenileno Benzobis Oxazol (FBO o PBO, en sus siglas en inglés) o carbono (Fig. 5). También, el FRCM puede incorporar una malla de carbono en una aplicación de shotcrete la que es más delgada que la que utiliza tradicionalmente cuando se usa esta metodología en reparaciones (Fig. 6). El código ACI 549.4R – 13 se encuentra disponible como una guía para el diseño y construcción de sistemas de matriz cementosa reforzada con fibra (FRCM) que se adhieren externamente para la reparación y refuerzo de estructura de hormigón y mampostería.
Los compuestos del FRCM poseen propiedades significativamente distintas que los de los compuestos de las fibras FRP. El mortero mineral, utilizado como matriz, no es capaz de brindar una buena cobertura de todas las fibras versus una resina epóxica y provoca un fenómeno de deslizamiento y efecto telescópico, y una naturaleza más dúctil del compuesto. El fallo ocurre usualmente como un resultado del despegue del compuesto en la capa mortero-fibra.
Debido a la naturaleza del trabajo, el anclaje apropiado del compuesto es un elemento importante en el refuerzo con compuestos FRCM. El anclaje retrasa el despegue del compuesto y aumenta la capacidad de carga del elemento al emplear las propiedades de la malla. La resistencia de la unión del FRCM al material de sustrato es difícil de cuantificar ya que depende del tipo de fibras, el tamaño de la fibra, la disposición de la malla, la composición de la matriz, las propiedades del sustrato y la calidad de la preparación de la superficie. A diferencia del FRP, las fibras FRCM no se impregnan; por lo tanto, ensayos de extracción de sustratos de hormigón generalmente muestran el fallo dentro del refuerzo de tela o en la interfaz tela-matriz.
Los sistemas FRCM posee ventajas si los comparamos con los FRP. Los sistemas FRCM no requieren un sustrato seco y trabajan bien en sustratos húmedos. Los sistemas FRCM poseen una mayor resistencia al fuego que los FRP, ya que no se ven afectados por las altas temperaturas de servicio. En la mayoría de los casos, los sistemas FRCM no requieren de protección contra el fuego. Asimismo, los sistemas FRCM crean una matriz transpirable y no se ven afectados por los rayos UV.
Conclusiones
Los sistemas FRP y FRCM se están utilizando como una tecnología de refuerzo ya sea en la reparación de estructuras tanto en construcciones nuevas como en estructuras ya existentes. Debido a su espesor, durabilidad, desempeño, acomodo a las formas existentes, resistencia a la corrosión, facilidad de instalación, etcétera, los sistemas FRP y FRCM son grandes alternativas a las metodologías de reparación y refuerzo tradicionales y pueden brindar una excelente solución para el fortalecimiento de estructuras de hormigón y mampostería.
Referencias
-ACI Committee 549.4R-13, Guide to Design and Construction of Externally Bonded Fabric-Reinforced Cementitious Matrix (FRCM) Systems for Repair and Strengthening Concrete and Masonry Structures (ACI 549.4R-13), American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2020.
-Mantegazza, Giovanni, “Seismic Retrofit of Structural Elements with FRCM Prior to Recent Earthquakes in Italy”, International Concrete Repair Institute (ICRI) Spring Convention, Technical Presentation, April 2018.
-Borwankar, Aniket, “Fabric-Reinforced Cementitious Matrix”, International Concrete Repair Institute (ICRI) Spring Convention, Technical Presentation, April 2018.
