EVALUACIÓN COMPARATIVA DE VIGAS REFORZADAS MEDIANTE ARMADURAS ELECTROSOLDADAS Y VARILLAS DE PRFV

1. Introducción

En América del Norte, el uso de las varillas de compuestos poliméricos como lo es el PRFV (GFRP en Inglés), ha tomado gran demanda como sustituto del tradicional refuerzo con acero del concreto estructural, al grado que su uso se esparce a estructuras de mayores dimensiones, como parece indicarlo la actualización de la Guía de Especificaciones de Diseño de Losas de Puentes y Parapetos de Concreto Reforzado con PRFV (AASHTO (GFRP), 2017), la cual se suma a la Guía de Diseño y Construcción Estructuras de Concreto Reforzados con varillas de FRP (Fiber-Reinforced Polymer) (ACI 440 1R , 2015), ya existente. Lo anterior debido al bajo costo de mantenimiento que se obtiene por su durabilidad y ausencia de corrosión ante los agentes que comúnmente dañan al acero, como lo reportan diversas investigaciones realizadas por: GangaRao, Taly y Vijay (2007); (R., Cousin, & Benmokrane, 2009); Nanni, Luca, y Jawahery (2014); (Gooranorimi, Gremel, Myers, & Antonio, 2015) y otros autores citados por Sánchez Hernández J. A. (2019).

México, con su amplio litoral expuesto a agentes corrosivos para el refuerzo tradicional con acero, especialmente en la zona del Golfo, debido a su baja sismicidad, pudiera representar un área de oportunidad para aprovechar el potencial de este tipo de refuerzos.

Las armaduras electrosoldadas fabricadas a base de acero trefilado tomaron gran auge en la autoconstrucción debido a su bajo costo y que, aunado a su alta resistencia, requiere bajos índices de refuerzo, los cuales eran permitidos por la norma 2004 (NTC M, 2004). En la actualidad, pese a la gran cantidad de detractores de su uso, el principal problema al utilizar estas armaduras en viviendas está en el rápido deterioro por corrosión.

Por esta razón, el refuerzo a base de varillas de PRFV resulta en una alternativa útil que pudiera superar en beneficios de resistencia y durabilidad a la actual tecnología, basada en acero, usada para estos desarrollos habitacionales.

En el presenta análisis se pudo observar que existe un desempeño aceptable de este material, especialmente con cuantías de refuerzo próximas a las mínimas solicitadas por la actual normativa (NTC M, 2017).

2. Especímenes y datos

Los especímenes utilizados en el comparativo fueron vigas rectangulares de 15x20 cm de sección, cuyas dimensiones son acordes con las establecidas en la Normas Técnicas de Mampostería (NTC M, 2017) para las dalas de confinamiento de los muros y que suelen prolongarse entre los claros de ventanas y puertas.

El concreto usado posee una resistencia última a la compresión f'c>150 kg/cm², que cumple con la citada normativa de mamposterías en México y cuyas variaciones entre los especímenes se detallan en la Tabla 1.

El valor del esfuerzo último a tensión de la varilla de PRFV se fijó con ffu = ff*u = 8000 kg/cm² similar esfuerzo límite último de tensión establecido por el fabricante; ffv = 1500 kg/cm² como el esfuerzo límite de corte establecido por el fabricante; y Ef = 500000 kg/cm² como el módulo elástico establecido por el fabricante, para la evaluación de los elementos nominales resistentes. En tanto que el acero se tomó de referencia los valores de fy = 5000 kg/cm², Ey=2.1E6 kg/cm² y fyv=1600 kg/cm² de acuerdo con las especificaciones del proveedor.

Los ensayes se realizaron en un marco de reacción con un gato hidráulico de 100t para transmitir la carga en cada elemento ensayado, la carga fue separada en dos cargas puntuales a través de una viga de distribución de carga lo suficientemente rígida para no deformarse. La viga fue colocada en un sistema de apoyos isostáticos, distantes 2.0m.

Los especímenes ensayados se describen a continuación, en la Tabla 1, definiendo los armados en lecho superior (LS) y lecho inferior (LI) de la siguiente forma: 2D4 que debe leerse como dos barras de 4mm de diámetro debido a que el material usado, de origen europeo, es milimétrico. En tanto que los estribos uniformes de 4mm solo se enunció su distribución espacial expresada en cm de separación (E@15). Los armados que fueron constituidos con ganchos en los extremos se designaron mediante una letra “G”.

Estos armados se fijaron basados en una estrategia de competencia, con las tradicionales armaduras electrosoldadas, buscando la optimización costo-capacidad.

Las áreas de refuerzo para el acero (As) y para las fibras (Af) se obtuvieron geométricamente considerando el área un círculo de similar diámetro al de la varilla. En tanto que la cuantía de refuerzo real se calculó como ρ = A/(b d), siendo “A” el área del refuerzo en el lecho inferior calculado de la forma indicada y “b” la base de la sección transversal y “d” el peralte efectivo con un recubrimiento libre de 2.0 cm.

De acuerdo con las NTC M (2017), considerando el fy de las armaduras electrosoldadas (fy=5000 kg/cm²) y la resistencia mínima aceptable para el concreto (f'c=150 kg/cm² en dalas) el refuerzo longitudinal total mínimo corresponde a:

CE corresponde al Coeficiente Ambiental, establecido por el ACI 440.1R para diferentes grados de exposición, el cual se fijó en un valor de 0.75.

Basado en estos cálculos las vigas reforzadas con PRFV, listadas en la Tabla 1, del 1 al 3 poseen armados (Af) inferiores al mínimo calculado en Q2, en tanto que las vigas 4 y 5 serían aceptables para confinar de acuerdo con las NTC M (2017). No obstante, el presente trabajo se centra en comparar el comportamiento a flexión y corte a través de sus elementos mecánicos resistentes, entre las dalas (vigas de confinamiento) armadas con los materiales antes descritos. Por lo que todos estos elementos se compararán con la viga 6 reforzada con elementos metálicos y con área de armado (As) descrito en la misma tabla menores al mínimo normativo (Q2).

Las cuantías real, balanceada y mínima reflejadas en la Tabla 1, para el caso del refuerzo de acero, se calcularon mediante las siguientes expresiones representadas en las NTC CR (2017) (5.1.5).

Donde “As”, es el refuerzo a flexión; “d”, es el peralte efectivo y b=15 cm, la base de la sección transversal; siendo β1=0.85 y f’’c=0.85f’c.

En tanto que la evaluación de las cuantías para el PRFV se realizó conforme al código de diseño del ACI (ACI 440 1R , 2015) utilizando unidades de kg y cm.

El historial de carga y las deflexiones fueron obtenidas mediante sensores electrónicos y digitales, de los reportes generados a partir de los ensayes realizados, excepto en la viga 1, cuya medición se realizó con micrómetro con el equipo y procedimiento de aplicación de la carga descritas por Sánchez Hernández (2019).

3 Análisis de elementos mecánicos

La determinación de los momentos nominales resistentes se realizó para el refuerzo con acero, de acuerdo con lo que establecen las NTC Ciudad de México (2017) para vigas de concreto reforzados con varillas de acero en su apartado (5.1.3) relativo a Resistencia a la flexión, así como el apartado (5.3.3) correspondiente a Resistencia a fuerza cortante. En tanto que los relativos a las vigas reforzadas con PRFV se utilizó lo enunciado en el ACI 440 1R (2015), capítulo 7.2 sobre Flexural strength (Resistencia a la flexión) y capítulo 8 referente a Shear (Corte). Las dudas de interpretación sobre el diseño con PRFV se resolvieron apoyados en el trabajo de Wainshtok Rivas, Hernández Caneiro y Díaz Pérez (2015).

4 Comparación y análisis de resultados

Momento flector

La Figura 1 muestra la gráfica comparativa de momentos entre los ensayes correspondientes a las vigas armadas con PRFV (vigas 1 al 3) y la viga de armadura metálica (viga 6), todas ellas con cuantía (ρ) de refuerzo menor a la que normativa mexicana (NTC 2017 M) permite como refuerzo de estos elementos (ver Tabla 1).

En la gráfica 1, el progreso de la carga se pudo observar que tanto las vigas de PRFV, como las de refuerzo metálico presentaron deslizamiento por adherencia y redistribución de carga, hasta la falla. La viga 3, dentro de las que fueron armadas a base de PRFV, presentó un mejor comportamiento al desarrollar con mayor uniformidad y menores deflexiones su resistencia, esto posiblemente atribuible a la existencia de ganchos en los extremos de su armado en el lecho inferior, lo cual evidencia la importancia de su uso. Así mismo en esta gráfica se representó con líneas horizontales, el momento resistente calculado mediante las expresiones de cada normativa, según se cita en el título 3 de este trabajo.

La gráfica 2, presenta vigas de PRFV cuyos armados son más apegados a los calculados como mínimo (Q1 y Q2) de acuerdo con las NTC M (2017) para el confinamiento de muros de mampostería. Estas vigas (4 y 5) mostraron un mejor rendimiento en cuanto al desarrollo de la resistencia a la flexión, siendo aun mayor a la resistencia alcanzada por la viga reforzada con acero trefilado. De forma específica, la viga 4, resulta muy próxima en cuantía real (de la Tabla 1, ρ=0.0020) que la usada en el refuerzo a flexión de la viga 6 (ρ=0.0023), sin embargo, su resistencia con PRFV a momento alcanza casi el doble del momento logrado por el refuerzo de acero. Aun con esto, ambos refuerzos alcanzaron valores a la falla superiores a los evaluados de acuerdo con sus normas aplicables.

En la Tabla 2, se puede observar que el momento nominal resistente (MR), calculado conforme al ACI 440 1R (2015), para las vigas armadas con PRFV, resulta en general con valores más conservadores que los referidos por las NTC CR (2017).

No obstante, para poder realizar un comparativo adecuado entre los valores que alcanza el diseño contra los valores experimentales, se recurrió a usar un factor de seguridad definido como FS=Mmáx/MR, en el que se puede apreciar el amplio margen de seguridad en el diseño a flexión para estos elementos subreforzados con PRFV. Similar conclusión sobre la seguridad en el diseño con PRFV realiza Joaquím L. y Diaz Pérez (2017) en el trabajo recepcional denominado “Estructuras de hormigón armado con barras de Polímero Reforzado con Fibras de Vidrio (PRFV). Estado del arte.”, en el que menciona que “Las fórmulas propuestas por el ACI 440 …fueron considerados demasiado conservadoras debido a que se basan en el dominio de compresión controlada (fallo por aplastamiento de hormigón)”.

Fuerza cortante

En la evaluación comparativa de la fuerza cortante también se observa el mismo comportamiento en cuanto a los factores de seguridad (FS=Vmáx/VR) obtenidos de los valores experimentales y los obtenidos mediante la metodología convencional de análisis según el código de diseño aplicable de acuerdo con el material de refuerzo. Los diseños de PRFV representan mayores índices de seguridad contra la evaluación de los armados de acero (ver tabla 3).

Es de observar la viga 4 reforzada con PRFV y la viga 6 reforzada con acero, cuya cuantía de refuerzo, pudimos notar, es muy similar. Sin embargo, la resistencia al corte de la viga reforzada con acero, contrario al resultado visto en la flexión, resultó mayor a la del PRFV (Figura 3). Es decir, la viga con refuerzo de armadura metálica al compararse con las de PRFV de similar cuantía (viga 6 con 4) presentó un mejor desempeño en resistencia al corte y desplazamiento, así como un FS muy similar al obtenido con la de PRFV.

Puede observarse que el desarrollo de la falla a corte en las vigas reforzada con estribos de PRFV fue lineal hasta el límite. Este comportamiento observado en estas vigas reforzadas con estribos de PRFV sugiere poner atención en el adecuado diseño del refuerzo a cortante debido a la fragilidad de la falla y al menor margen de holgura obtenido en el FS, al compararlo con el obtenido a flexión por las mismas vigas.

Los FS obtenidos, que relacionan la resistencia empíricamente obtenida en los ensayos con la evaluada mediante los modelos teóricos normativos, parecen ser muy prometedores, sin embargo habrá de tomar en consideración que la mayoría de los PRFV disponibles en el mercado aun no poseen capacidades estandarizadas, por lo que estas están sujetas a las fórmulas del fabricante y normalización de sus procesos de calidad, los cuales deben normativamente debería garantizar dos punto cinco veces el Coeficiente de Variación (2.5Cv) o tres desviaciones estándar de la muestra (3σ), para cada uno de los valores de resistencia que nos proporcionan, como lo menciona Sánchez (2020).

Queda pendiente el problema de la adherencia que se apreció en las variaciones de carga, las cuales, si bien fueron equiparables a los de las de la armadura metálica y no afectó el comparativo de la prueba, para vigas de mayor índice de carga y/o claro podrían ser representativos.

5 Conclusión

El estudio comparado entre los materiales compuestos a base de PRFV muestran un comportamiento aceptable para su uso en edificaciones habitacionales basadas en mamposterías confinadas y hasta cierto punto seguros en la autoconstrucción, dentro de los mismos parámetros con que se han utilizado las armaduras electrosoldadas de alta resistencia como refuerzo ante cargas gravitacionales y claros relativamente cortos.

La resistencia a la flexión resulta en un mejor rendimiento que el acero dentro de los límites de esta prueba con altos márgenes de seguridad contra las condiciones de diseño. No obstante, la resistencia al corte se pudo notar en desventaja al comparar con el obtenido del acero trefilado de las armaduras metálicas, particularmente en las primeras vigas (1, 2 y 3), cuya capacidad fue excedida especialmente porque su índice de refuerzo era mucho menor al de la viga de acero (6). Así mismo se observó, que mejorar la cuantía de refuerzo longitudinal, en las vigas de PRFV también mejora su respuesta al corte (viga 4).

Lo anterior sugieren el diseño por corte podría ser crítico para su uso en claros mayores a los 2.0m, por lo que se requiere de una adecuada revisión y diseño estructural, con armados transversales robustos, a fin de salvar incluso claros de puentes como los que menciona el manual AASHTO (AASHTO (GFRP), 2017).

6 Agradecimiento

Los autores agradecen a la empresa POLIMEX distribuidor de las varillas de PRFV utilizadas en estos ensayos y a la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP), por las facilidades otorgadas en la realización de esta investigación, así como de la disposición de los resultados obtenidos.

7 Referencias