estado del arte del reforzamiento de muros de...
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ESTADO DEL ARTE DEL REFORZAMIENTO DE MUROS
DE MAMPOSTERÍA NO ESTRUCTURALES CON EL USO
DE POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS
JONATHAN LEYVA HERNÁNDEZ
ANDREA PAOLA URREGO ORTIZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL
FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2019
ESTADO DEL ARTE DE REFORZAMIENTO DE MUROS
DE MAMPOSTERÍA NO ESTRUCTURAL CON EL USO SE
POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS
JONATHAN LEYVA HERNÁNDEZ
Código: 20142579030
ANDREA PAOLA URREGO ORTIZ
Código: 20142579401
DIRECTOR:
ING.
PAULO MARCELO LÓPEZ PALOMINO
Modalidad de grado investigación de estado del arte sobre estructuras
Requisito para obtener el título de ingeniero civil
UNIVERSIDAD DISTRITAL
FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNÓLOGICA
PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2019
NOTA DE ACEPTACIÓN
Nota de aceptación
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Jurado
Bogotá D.C.,Marzo de 2019
AGRADECIMIENTOS
A nuestro tutor, al Ingeniero Paulo Marcelo López, quien ha sido parte fundamental y un
apoyo constante en este proceso.
Al Ingeniero Juan José Betancourt por haber abierto las puertas de su oficina para para
apoyarnos y guiarnos incondicionalmente.
A la Ingeniera Luz Adriana Martínez, Representante Técnico de la empresa BASF, por
atendernos y apoyarnos con nuestra investigación.
Al Ingeniero Jorge Rendón, Ingeniero de Rehabilitación de Estructuras de la empresa SIKA
por disponer de su tiempo para definirnos algunos criterios de nuestra investigación.
A Jenny García, quien más que una compañera sentimental, ha sido un apoyo incondicional
durante este duro proceso, y alguien quien anima frente a cualquier adversidad.
A nuestras familias por acompañarnos y apoyarnos en cada momento de nuestro camino
académico.
.
CONTENIDO
RESUMEN ................................................................................................................................. 1
INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 2
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................................ 3
Descripción del problema ...................................................................................................... 3
Formulación del problema ..................................................................................................... 4
2. JUSTIFICACIÓN............................................................................................................. 5
3. OBJETIVOS..................................................................................................................... 6
General ................................................................................................................................... 6
Específicos ............................................................................................................................. 6
4. MARCO DE REFERENCIA ................................................................................................ 7
4.1. Mampostería .................................................................................................................... 7
4.2. Muros de mampostería no reforzada .............................................................................. 7
4.3. Ductilidad en muros no estructurales ............................................................................. 8
4.4. Comportamiento mecánico de muros de mampostería no reforzada ............................ 10
4.4. Mampostería no reforzada y sus tipos de daños ..................................................... 12
4.5. Estado actual de la mampostería no estructural en Colombia ................................ 12
5. REFUERZO DE MAMPOSTERIA NO ESTRUCTURAL CON EL USO DE
POLIMEROS REFORZADOS CON FIBRAS ............................................................................ 15
5.1. Polímeros reforzados con fibras (FRP) ......................................................................... 15
5.2. Refuerzo de muros de mampostería con fibras poliméricas ................................... 23
5.3. Disposición de fibras FRP en refuerzos de muros de mampostería no estructural . 28
5.4. Ensayos en muros de mampostería reforzada con PRF .......................................... 30
6. MÉTODO DE DISEÑO PARA REFORZAMIENTOS EN MUROS DE
MAMPOSTERÍA CON POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS ..................................... 34
6.1. Propiedades de los materiales ................................................................................. 34
6.2. Principios Básicos de diseño a Corte ...................................................................... 35
6.3. Principios Básicos de diseño a Flexión ................................................................... 37
6.4. Detalles de transferencia de Carga .......................................................................... 39
6.5. Ejemplo Numérico .................................................................................................. 40
7. INVESTIGACIÓN BIBLIOGRÁFICA ......................................................................... 45
8. CASOS EN COLOMBIA DONDE SE HA REFORZADO Y/O REHABILITADO
CON PRF ...................................................................................................................................... 66
9.1 Preescolar carrizales, Envigado Antioquia. ................................................................ 66
9.2 Casa de eventos Villa Salvatorina en Chía ................................................................. 68
9.3. Chimenea antiguo matadero municipal - nueva biblioteca universidad distrital. ........ 70
9.4. Iglesia de Nobsa Boyacá ......................................................................................... 71
9.5. Iglesia de Quimbaya Quindío ................................................................................. 73
10. COMPARATIVO ECONÓMICO ................................................................................. 75
11. CONCLUSIONES ......................................................................................................... 77
12. RECOMENDACIONES ................................................................................................ 81
BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 83
Lista de tablas
Tabla 1. Propiedades y aplicaciones fibras de Carbono .............................................................. 16
Tabla 2. Densidades y coeficientes de expansión para los materiales PRF ................................. 25
Tabla 3. Propiedades mecánicas de las fibras .............................................................................. 26
Tabla 4. Propiedades mecánicas de los materiales epóxicos ........................................................ 26
Tabla 5. Comparación entre fibra de carbono y fibra de vidrio. .................................................. 27
Tabla 6. Limitaciones de los PRF según el tipo de mampostería ................................................ 34
Tabla 7. Factores de reducción para sistemas de PRF y condiciones de exposición ................... 38
Tabla 8. Disposición de refuerzo vigas de mampostería en BPH ................................................ 46
Tabla 9. Disposición de refuerzo vigas de mampostería en BPV ................................................ 46
Tabla 10. Valores Experimentales de Momento y Deformación Máxima .................................. 47
Tabla 11. Valores experimentales de momento y deformación máximo..................................... 47
Tabla 12. Disposición de refuerzo muros de mampostería ensayos fuera del plano. .................. 48
Tabla 13. Ensayo de carga paralelo al plano................................................................................ 49
Tabla 14. Resultados curva histerética ......................................................................................... 53
Tabla 15. Deformación y esfuerzos en las bandas de PRF .......................................................... 54
Tabla 16. Códigos de identificación para los especímenes de prueba ......................................... 56
Tabla 17. Comparativo de costos por metro cuadrado de reforzamiento .................................... 61
Tabla 18. Matriz de relación de los sistemas de reforzamiento, con sus propiedades de
desempeño, nivel de costo, aspectos normativos, dificultad técnica y posibilidad de intervención.
....................................................................................................................................................... 62
Tabla 19. Matriz de relación de los sistemas de reforzamiento con resolución de patologías de
las fachadas ................................................................................................................................... 63
Tabla 20. Comparativo técnicas de reforzamiento. ..................................................................... 75
Lista de figuras
Figura 1. Figura izquierda, Desplazamientos iguales; figura derecha, Energías iguales. Vega
(2015). ............................................................................................................................................. 9
Figura 2. De izquierda a derecha, Caso 1. Deslizamiento de la junta del mortero de pega, Caso
2. Tensión diagonal, Caso 3. Aplastamiento en la base del muro, Guía ACI 440.7R-10, p 23. . 12
Figura 3. Barrió Madrid, Localidad Rafael Uribe Uribe. Construcciones hechas por mano de
obra no calificada, deficiencia estructural, Fuente (elaboración propia). ..................................... 14
Figura 4. Fibra de Carbono, Carbosystem (2010)........................................................................ 15
Figura 5. Comportamiento de la fibra de carbono, Baca (2011). ................................................ 17
Figura 6. Propiedades mecánicas de las fibras de Carbono. Baca (2011). .................................. 17
Figura 7. Fibras de Aramida: Blogger ......................................................................................... 19
Figura 8. Esfuerzos a la tracción VS deformaciones y módulos de elasticidad de algunas fibras
como vidrio y aramida. Ingemecanica. ......................................................................................... 20
Figura 9. Propiedades de las fibras de aramida de bajo y alto modulo. Arana. M. (2013). ......... 21
Figura 10. Fibra de Vidrio: Tecnología de Plásticos Blogger ..................................................... 22
Figura 11. Grafica Esfuerzo vs deformación de los PRF y acero. ACI 440 7R-10. .................... 25
Figura 12. Materiales Compuestos: Ingemecánica (2010). ......................................................... 28
Figura 13. Disposición del refuerzo en los muros. (Machado, A. 2004). .................................... 29
Figura 14. Montaje del ensayo Monotónico, Vargas, C. (2015).................................................. 31
Figura 15. Montaje del ensayo Dinámico, Vargas, C. (2015). .................................................... 33
Figura 16. Detalles restricciones de volcamiento y transferencias de carga, Tumialan, G. (2008).
....................................................................................................................................................... 40
Figura 17. Disposición de Varillas y fibras FRP, Presentación Simpson Gumpertz & Heper Inc.
2007............................................................................................................................................... 44
Figura 18. Grafica Esfuerzo vs Deformación, FRP vs Acero, G. Tumialan (2008). ................... 50
Figura 19. Modelo para ensayo a Flexión con láminas FRP, Tumialan. G. (2008). ................... 51
Figura 20. Ensayo a flexión, Tumialan. G. (2008). ..................................................................... 51
Figura 21. Falla debido a perdida de adherencia, Tumialan. G. (2008). ..................................... 52
Figura 22. Falla en tensión, Tumialan. G. (2008). ....................................................................... 52
Figura 23. Falla a compresión, Tumialan. G. (2008). .................................................................. 52
Figura 24. Configuración reforzamiento con PRF. López. G. (2012). ........................................ 53
Figura 25. Muros reforzados. (a) Muro corto en grilla, (b) muro corto en diagonal, (c) muro
largo en grilla, (d) muro largo en diagonal. Vega. C. pg. 83 (2015). ........................................... 55
Figura 26. Dimensiones de los muros y disposiciones de los refuerzos con fibras de carbono, a)
tipo grilla, b) tipo diagonal, Vega. C., Torres. N. pág., 17. (2018). .............................................. 56
Figura 27. Falla del sistema de anclaje 1, a) muro corto fallado, b) y c) detalle de la falla del
corbatín, d) estado del corbatín al quitar el muro. Vega. C. (2015). ............................................. 57
Figura 28. Fallas del sistema de anclaje 2, a) y b) fallas por tensión del chaflán, c) y d)
desprendimiento de la fibra en el traslapo. Vega. C. (2015)......................................................... 58
Figura 29. Fallas del sistema de anclaje 3, a) y b) desprendimiento de la fibra del macizo, c) falla
por tensión del macizo. Vega. C. (2015). ..................................................................................... 58
Figura 30. Falla de la fibra en el sistema de anclaje 4. Ruptura de la fibra en la zona donde
atraviesa el macizo. Vega. C. (2015). ........................................................................................... 59
Figura 31. Preescolar Carrizales. www.carrizales.edu.co ............................................................ 67
Figura 32. Proceso de reforzamiento con el uso de PRFV, a) Conformación de regatas, b) y c)
Nivelación de la superficie mediante mortero estructural, d) Instalación de sistema de refuerzo
con fibra de vidrio. Y&J Ingeniería (2016). ................................................................................. 68
Figura 33. Imágenes de proceso de reforzamiento de la fachada. Y & J Ingeniería. .................. 69
Figura 34. Estado actual Villa Salvatorina. Ahumada. G. (2015). .............................................. 70
Figura 35. Chimenea Emblemática Biblioteca Universidad Distrital. Cortes (2013).................. 71
Figura 36. Fachada Iglesia Nobsa Boyacá. Rendón. (2013). ....................................................... 72
Figura 37. Reforzamiento de muros internos Iglesia Nobsa Boyacá. Rendón. (2013). ............... 72
Figura 38. Muros internos reforzados con CFRP Iglesia Nobsa Boyacá. Rendón. (2013). ........ 72
Figura 39. Reparación con PRFV de la iglesia de Quimbaya, Quindío. Rougier, V. (2007) ...... 73
Figura 40. Reparación con PRFV de la iglesia de Quimbaya, Quindío. Rougier, V. (2007) ...... 73
Figura 41. Tejido de fibra de vidrio SikaWrap 100G en la parte externa de los muros de fachada
iglesia de Quimbaya, Quindío. Rougier, V. (2007) ...................................................................... 74
1
RESUMEN
Durante las últimas décadas en el país se ha desatado una serie de preocupaciones en relación
a la necesidad de crear o implementar nuevas técnicas de reforzamiento en estructuras que
mejoren las condiciones iniciales con las que fueron construidas y que prolongue su vida útil,
una y otra deben atender los requerimientos establecidos en el Reglamento Colombiano de
Construcción Sismo Resistente NSR-10.
Bajo esta premisa este proyecto de grado tiene como propósito exponer el estado del arte del
uso de polímeros reforzados con fibras para el reforzamiento de muros en mampostería no
reforzada. Por lo que se intenta mediante la recopilación de investigaciones bibliográficas,
abordar y presentar aspectos de los muros no estructurales tales como su comportamiento
mecánico, tipos de falla, se continúa con la presentación de Polímeros Reforzados con fibras,
propiedades mecánicas de los materiales, ventajas, limitaciones, su aplicación en el
reforzamiento de muros no estructurales con polímeros reforzados con fibras, métodos de diseño,
costos de los métodos de reforzamiento con PRF, adicionalmente, se realiza una referencia a la
norma ACI 440 7R-10, y finalmente con los conceptos emitidos por la Asociación de Ingeniería
Sísmica, que permitan al lector conocer más a profundidad dicho método de refuerzo.
Palabras clave: Reforzamiento estructural, Polímeros, fibra de vidrio, Fibra de aramida,
fibra de carbono, Mampostería no estructural.
2
INTRODUCCIÓN
Es tendencia que las construcciones en Colombia destinadas para uso comercial o residencial,
independientemente de su diseño, se ejecuten en mampostería debido a su bajo costo de
construcción, agilidad en los tiempos de instalación y materiales de fácil obtención. No obstante,
algunas de estas edificaciones presentaron una vida útil inferior a la estipulada en el diseño y
sufrieron daños considerables debido a diversas cargas externas (como cambio de uso,
sobrecarga de la estructura, impactos, deficiencias constructivas o incluso sismos), como los
vistos en los sismos de Popayán en 1983, el eje cafetero en 1999, Puente Quetame en 2008. De
acuerdo con lo anterior, y con la idea de preservar las estructuras de mampostería, se han
investigado técnicas para el reforzamiento y/o rehabilitación de las mismas, una de ellas consiste
en reforzar con materiales compuestos como polímeros reforzados con fibra de vidrio, fibra de
aramida y fibra de carbono.
Por lo que la aparición y el desarrollo de los Polímeros reforzados con fibras (PRF), hace dos
décadas para uso en reforzamiento de estructuras puede considerarse una de las grandes
revoluciones del siglo pasado en lo referente a los materiales. Los avances conseguidos en los
métodos de producción de estos materiales, con excelentes características hicieron que fueran
rápidamente aceptados y empleados por el sector de la industria y el de la construcción, como
por ejemplo, en la elaboración de carcazas para vehículos y aviones en el caso industrial, y en los
reforzamientos de estructuras en concreto como puentes o conexiones estructurales entre vigas y
columnas en el caso de la construcción.
3
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Descripción del problema
Las edificaciones son vulnerables a sufrir afectación ante una situación de amenaza
específica sea de origen natural, humano o cualquier tipo de elemento, que pueden generar un
daño a la estructura o el colapso, como lo son vibraciones, sismos, agentes climáticos, incendios,
y cambios de uso; en este sentido se opta por evitar el colapso y llevar a la estructura a un nivel
de seguridad óptimo, ante estos casos es oportuno evaluar el estado de la estructura y depende de
esto plantear las alternativas constructivas para su reforzamiento si se requiere.
Este panorama nos hace analizar la necesidad de buscar soluciones de reforzamiento de fácil
y rápida aplicación. Entre las tecnologías de punta en este siglo XXI para el refuerzo estructural,
exactamente muros de vivienda y edificios se encuentra el uso de Polímeros Reforzados con
Fibras (PRF). El uso de éstos materiales compuestos es una alternativa comúnmente utilizada en
países desarrollados como EUA, Japón, Canadá y Europa donde se han utilizado no solo como
refuerzo externo sino también como sustitución del acero estructural y como un aditivo en
concretos de alta y ultra alta resistencia mediante el uso de micro fibras (Castillo,2010); Pero en
Colombia aunque se usan cada vez con mayor frecuencia estos materiales compuestos para el
reforzamiento en estructuras en concreto, no es común su uso como material de refuerzo en
muros de mampostería no estructural por lo que se busca dar a conocer mediante este estado de
arte su adecuado uso, e impulsar su investigación para dar cumplimiento a lo establecido por la
NSR-10 y garantizar de esta manera la preservación de las estructuras reforzadas y la seguridad
ocupacional de estas.
4
Formulación del problema
¿Qué tan viable es el uso de los polímeros reforzados con fibras en el reforzamiento de
muros en mampostería no estructural?
5
2. JUSTIFICACIÓN
Pese a que en Colombia existe un reglamento técnico constructivo desde el año 1984 hoy por
hoy NSR-10, en Bogotá según lo que reporta el Idiger, un 30% o 35% de las edificaciones son
vulnerables. En términos de informalidad, este dato se incrementa si se tienen en cuenta zonas
como Ciudad Bolívar o Bosa, fácilmente ascendería a un 70%. (Revista La República, 2016).
Esto se atribuye al crecimiento desmedido de la capital en las últimas cuatro décadas, a la
falta de planeación y a la informalidad de la mano de obra en la construcción de viviendas, tanto
así que según estudios de la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica (AIS) se tiene que el
80% de las edificaciones en Bogotá fueron construidas sin acatar ninguna normativa técnica.
(Riveros, 2009). Esto no significa que en caso de ocurrir un evento sísmico todas vayan a
colapsar, pero si refleja un indicador alarmante de los casos de edificaciones vulnerables en
Bogotá que siendo la capital se creería que existe una vigilancia más rigurosa por parte de los
entes encargados, también evidencia que Bogotá es solo la muestra de lo que sucede en todo el
territorio nacional.
De acuerdo con lo anterior, y como objetivo de este estado del arte, se pretende auscultar
información y hacer una explicación puntual acerca del uso de polímeros reforzados con fibras
para el reforzamiento de muros en mampostería no estructural. Por lo tanto, es conveniente
conocer el funcionamiento, las limitaciones y en qué casos se pueden implementar cumpliendo
con la normatividad nacional.
6
3. OBJETIVOS
General
Realizar el estado del arte del uso de polímeros reforzados con fibras como material de
reforzamiento para mampostería no estructural en Colombia.
Específicos
1. Realizar una investigación Bibliográfica.
2. Mostrar las características de los FRP como material para el reforzamiento de muros.
3. Presentar el método de diseño para el uso de estas fibras como material de reforzamiento.
4. Investigar el manejo que ha tenido este tipo de reforzamiento en muros de mampostería
no estructural en Colombia.
5. Presentar casos de aplicación en Colombia.
7
4. MARCO DE REFERENCIA
4.1. Mampostería
La mampostería es un término genérico utilizado para describir un tipo de construcción donde
unidades de arcilla, de concreto, o piedras naturales se unen entre sí para formar una estructura
de soporte de carga (ACI 440.7R – 10, p. 2). Cuando se habla de mampostería no estructural,
(URM por sus siglas en inglés) se hace referencia a aquellas estructuras que tienen este tipo de
construcción y no cuentan con ningún material de refuerzo, o si lo tienen, no cumplen con las
cantidades mínimas estipuladas en los reglamentos de diseño (Á. San Bartolomé, 1994, p. 6).
La ausencia de este material de refuerzo hace que este tipo de edificaciones tengan una baja
ductilidad, poca capacidad de disipación de energía y por consiguiente una baja resistencia; por
esta razón, cuando estas estructuras se ven sometidas a eventos sísmicos su comportamiento no
es el más adecuado; si a esto se le suma que en su mayoría son construidas sin una supervisión
técnica adecuada, esto las hace aún más vulnerables a este tipo de eventos incrementando las
posibilidades de falla, (Á. San Bartolomé, 1994, pp. 41-45).
Así mismo, los muros se desempeñan ante cargas horizontales de una manera parecida a una
viga en voladizo, con sus máximas cortantes y sus máximos momentos en su base, por lo tanto,
los muros pueden fallar por corte o por flexión, dependiendo directamente es sus proporciones
geométricas, el tipo refuerzo, y el tipo de falla al cual este expuesto, o también pueden fallar por
deslizamiento o pandeo por el tipo de diseño, antes de que pueda llegar a fallar por corte o
flexión. (FOPAE, 2011).
4.2. Muros de mampostería no reforzada
Según la NSR10 capitulo D9, cuando una edificación en mampostería no cumple con todos
los requisitos establecidos en el titulo D para mampostería reforzada o mampostería parcialmente
8
reforzada, esta debe clasificarse y diseñarse como mampostería no reforzada, lo cual debe
realizarse por el método de los esfuerzos admisibles de trabajo, D1; adicionalmente restringe su
uso como sistema de resistencia sísmica en aquellas regiones de las zonas de amenaza sísmica
baja donde el valor del coeficiente de aceleración pico efectiva, Aa, sea menor o igual a 0.05, lo
cual, para efectos de diseño se clasifica como uno de los sistemas con capacidad de disipación de
energía en el rango inelástico (DMI).
Método de Esfuerzos Admisibles de trabajo
De acuerdo al numeral D-1.5.4 de la NSR -10- Esfuerzos admisibles para tracción por flexión
en la mampostería no reforzada, indica que la tracción desarrollada en las juntas de mortero por
flexión no puede exceder los valores indicados en la tabla D-1.5-1, así mismo estos valores
señalados deben reducirse en un 50% cuando el mortero contenga cemento de mampostería,
también indica que no se permite suponer resistencia a tracción de las juntas para esfuerzos
producidos por cargas axiales de tracción (no producidos por efectos de flexión), y los valores
expuestos en esta sección no son aplicables a elementos sin carga axial, como vigas y dinteles.
4.3. Ductilidad en muros no estructurales
Se dice que si el elemento no estructural está conformado con materiales frágiles, su proceder
no corresponde a un comportamiento inelástico. Así pues un muro no estructural de
mampostería no reforzada no confinada se considera frágil. (FOPAE Bogotá, 2001).
De esta manera se busca en el refuerzo de muros de mampostería no estructural, materiales
que aporten ductilidad a este tipo de elementos.
De acuerdo a los aportes del Ingeniero Camilo Vega, para hallar la ductilidad en el campo
inelástico de los muros principalmente se usa la metodología planteada por Paula y T. &
9
Priestley M.J., 1992, bajo los principios de igualación de desplazamientos e igualación de
energías.
Figura 1. Figura izquierda, Desplazamientos iguales; figura derecha, Energías iguales. Vega (2015).
De la gráfica se observa que la ductilidad µ lograda por un sistema inelástico es
aproximadamente igual al factor de reducción de fuerza R (µ =R), véase Figura 1; a esto se le
llama principio de desplazamientos iguales. Sin embargo, cuando la estructura tiene periodos
naturales de vibración más bajos, esta afirmación no es muy conservadora y se estima ese factor
R igualando las energías elásticas e inelásticas, a eso se denomina principio de igualación de
energías.
Donde μ corresponde a la ductilidad que por definición representa la relación entre la
deformación máxima Δm y la deformación de fluencia Δy =(μ= Δm/Δy). Para fines del cálculo
del factor de capacidad de disipación de energía básico R0, los valores de Δm y Δy son obtenidos
de las envolventes de las curva de histéresis.
La capacidad de disipación de energía para muros de mampostería no estructural según la
NSR-10 está en el orden de 1,0 y según el ASCE 7 en 1,5. Según pruebas experimentales los
muros reforzados con FRP alcanzaron un valor de disipación de energía en un promedio de 2,9.
Por tanto se puede inferir que las FRP contribuyen en el aumento significativo de este valor,
10
aunque se debe tener en cuenta que no solo la fibra aporta, también lo hacen el concreto y el
acero de los sistemas de anclaje. (Vega. C. 2015).
4.4. Comportamiento mecánico de muros de mampostería no reforzada
Seguidamente se describen los comportamientos mecánicos de los elementos de un muro de
mampostería no reforzada y luego de todo el conjunto.
4.4.1. Comportamiento mecánico de las piezas de mampostería.
Al evaluar los mampuestos estructuralmente, una de las condiciones más importantes es la
resistencia a la compresión, ésta se determina por el ensayo de compresión en la pieza entera o la
mitad de la misma. Este parámetro es utilizado para llevar un control de calidad en los procesos
de fabricación de las piezas y para determinar la resistencia a la compresión del conjunto de
mampostería.
En cuanto a la capacidad de absorción de los elementos, que consiste en la cantidad de agua
que puede absorber y retener la pieza, es importante ya que por medio de esta lectura se
identifica la durabilidad de la mampostería.
4.4.2. Comportamiento mecánico del mortero de pega.
Al evaluar las propiedades mecánicas del mortero de pega, las de mayor peso desde el punto
de vista estructural son la deformabilidad y la adherencia a las piezas de mampostería. De la
deformabilidad dependen las deformaciones del elemento de mampostería y en parte su
resistencia a carga vertical y de la adherencia entre el mortero y las piezas, la resistencia por
cortante del elemento.
4.4.3. Comportamiento mecánico de muros de mampostería
La resistencia a la compresión en muros mampostería no reforzada, depende de los elementos
que la componen. Así mismo de la mano de obra, técnicas de construcción y condiciones
11
ambientales. La NSR-10 determina tres métodos para evaluar la resistencia a la compresión de
la mampostería; registros históricos, determinación experimental sobre muretes de prueba y
ensayos sobre materiales individuales. (NSR-10, D-17).
Para el módulo de elasticidad, éste se determina por medio de la curva esfuerzo-deformación
obtenida de los ensayos de laboratorio de muretes o prismas. La NSR-10 lo establece como la
pendiente de la secante desde 0,05 f´m hasta 0,33 f´m. (NSR-10, D-34).
En cuanto al módulo de cortante este se obtiene experimentalmente de la pendiente de la recta
inicial de la curva de esfuerzo cortante-deformación. La NSR-10 dicta que para casos en los que
no se tienen datos experimentales, la relación entre el módulo de cortante y el de elasticidad en
de 0,4. (NSR-10, D-34).
Para la relación de Poisson esta se calcula una vez determinada la relación entre los módulos
de cortante y elasticidad, en la ecuación establecida en la NSR-10.
No obstante, la NSR-10 supone que, para el diseño de muros de mampostería, estos no
resisten esfuerzos por tracción, es posible determinar dicha resistencia por un ensayo de tracción
diagonal. El ensayo consiste en comprimir un prisma de mampostería en posición diagonal, la
relación entre la carga máxima soportada y el área que resiste, será el valor de la resistencia a la
tracción diagonal.
4.4.4. Comportamiento con carga en el plano
Son diversos los parámetros que determinan el comportamiento de muros de mampostería
sometidos a cargas en el plano, tales como altura, espesor, esbeltez, propiedades mecánicas,
resistencia a la compresión, dosificación del mortero, aplicación de carga y condiciones de
apoyo. (ACI 440.7R-10, Pág. 22-23). Dichas cargas generan fallas, para lo que la guía ACI
12
440.7R-10 reconoce tres modos de falla; deslizamiento de la junta del mortero de pega, tensión
diagonal y aplastamiento en la base del muro.
Figura 2. De izquierda a derecha, Caso 1. Deslizamiento de la junta del mortero de pega, Caso 2. Tensión
diagonal, Caso 3. Aplastamiento en la base del muro, Guía ACI 440.7R-10, p 23.
Para los casos 1 y 2 referenciados en la Figura 2, estos obedecen a un comportamiento a corte,
esta falla no perturba la capacidad de carga axial, pero si para capacidad a flexión fuera del
plano, para el caso 3, este obedece a un comportamiento controlado por la flexión donde hay
disminución en la capacidad de carga del muro. (Vega. C. 2015).
4.4. Mampostería no reforzada y sus tipos de daños
Mampostería no reforzada, se refiere al método constructivo que involucra solo mampostería
y mortero, sin tener en cuenta refuerzo adicional como el acero; Según la NSR-10 este tipo de
mampostería se tiene prohibido en zonas de amenaza sísmica alta e intermedia por lo tanto solo
puede usarse en zonas de amenaza sísmica baja, este sistema estructural se clasifica para efectos
de diseño con capacidad moderada de disipación de energía en el rango inelástico (DMO),
(NSR-10, D.2.1.4).
4.5. Estado actual de la mampostería no estructural en Colombia
En Colombia prevalecen viviendas construidas en mampostería no estructural, lo que genera
edificaciones vulnerables a movimientos telúricos, tal como se ha evidenciado en sismos
13
ocurridos en el país, como el de Popayán en 1983, el eje cafetero en 1999, Puente Quetame en
2008 donde quedo claro el deplorable comportamiento de muros no estructurales por su baja
ductilidad y baja capacidad de disipar energía, que llevaron a las estructuras a tener fallas o al
colapso, prueba de esto son las construcciones que actualmente se encuentran en la capital del
país, véase Figura 3, en donde se evidencia la construcción de viviendas por mano de obra no
calificada o falta de supervisión en su proceso constructivo; y es evidente en las siguientes
imágenes las falencias estructurales, a) la falta de dinteles sobre los espacios para las ventanas, b)
uso de diferentes tipos de mampuestos en la estructura, c) discontinuidad estructural en columnas
piso a piso o escases de las mismas, y d) deficiencia en el trabajo de la mampostería.
(a)
(b)
14
(c) (d)
Figura 3. Barrió Madrid, Localidad Rafael Uribe Uribe. Construcciones hechas por mano de obra no
calificada, deficiencia estructural, Fuente (elaboración propia).
Consecuentes con lo mencionado, es necesario generar métodos de refuerzo que mitiguen el
impacto que generaría un sismo mejorando la capacidad y resistencia de las edificaciones y
buscando reducir la pérdida económica y de vidas.
15
5. REFUERZO DE MAMPOSTERIA NO ESTRUCTURAL CON EL USO DE
POLIMEROS REFORZADOS CON FIBRAS
5.1. Polímeros reforzados con fibras (FRP)
A continuación se realiza un breve resumen de cada una de las fibras mencionadas en la
norma ACI 440 7R-10, las cuales son, fibra de vidrio (PRFV), fibra de aramida (PRFA) y fibra
de carbono (PRFC), a su vez se mencionan sus características, propiedades físicas, ventajas y
desventajas en cuanto a su uso y aplicación.
5.1.1. Fibra de Carbono (PRFC)
Los materiales compuestos reforzados con fibras de carbono son más ligeros y resistentes que
determinados aceros al carbon. Su comportamiento frente a la fatiga es superior al de los
metales y, cuando se combinan con los polímeros adecuados, constituyen uno de los tipos de
materiales más resistentes al deterioro ambiental. Ciertas fibras obtenidas de breas y alquitranes
de carbón o petróleo (fibras “pitch”) poseen conductividades térmicas tres veces superiores a la
del cobre (Alcaraz, 2007).
Figura 4. Fibra de Carbono, Carbosystem (2010).
El sistema de reforzamiento con fibras de carbono es un método de reforzamiento estructural
que ha tenido una rápida acogida, ya que es de fácil y rápida instalación por estar conformado
16
por láminas y/o telas de alta resistencia que se adhieren con una resina epóxica que lo hace muy
eficiente, ya que brinda un aumento de resistencia al elemento reforzado, que para el caso de
muros de mampostería no estructural según la investigación del Ingeniero Germán Ahumada
corresponde a un aumento en la resistencia máxima del 50 al 80%.
La
Tabla 1 relaciona varias propiedades (características), o combinaciones de ellas, y
aplicaciones que posibilitan el uso de las fibras de carbono en diversos sectores. Estas
propiedades únicas son el resultado de la estructura (microestructura) de la fibra de carbono.
Tabla 1. Propiedades y aplicaciones fibras de Carbono
Propiedades y aplicaciones de las fibras de Carbono
Propiedades
Resistencia mecánica, tenacidad y densidad
Estabilidad dimensional
Amortiguación de vibraciones
Resistencia a la fatiga y auto-lubricación
Resistencia química
Conductividad eléctrica
Compatibilidad biológica
Aplicaciones
Transporte y artículos deportivos
Tecnología aeroespacial
Equipos de audio, brazos de robot
Maquinaria textil, ingeniería en general
Industria química y nuclear
Componentes equipos electrónicos
Medicina (prótesis equipamiento quirúrgico)
Fuente: Alcaraz (2007)
Los PRF han comenzado a utilizarse como materiales de construcción debido a que poseen
ciertas propiedades que hacen que su uso pueda resultar potencialmente ventajoso frente a
materiales tradicionales como el hormigón o el acero, véase Figura 5 y Figura 6.
17
Figura 5. Comportamiento de la fibra de carbono, Baca (2011).
Figura 6. Propiedades mecánicas de las fibras de Carbono. Baca (2011).
Ventajas de la Fibra de carbono
Entre las ventajas de usar la fibra de carbono como estructura de refuerzo están: mayor
resistencia a los impactos, mayor resistencia al fuego y mejor aislamiento térmico. El aumento
de la resistencia aporta mayor capacidad a esfuerzos de tensión y confinamiento de los elementos
compuestos.
En general, La fibra de carbono se destaca por varias razones:
Ligero La fibra de carbono es un material de baja densidad con una relación muy alta
resistencia.
18
Alta resistencia a la tracción: Una de las más fuertes de todas las fibras comerciales
de refuerzo cuando se trata de la tensión, la fibra de carbono es muy difícil de estirar o
doblar.
Baja expansión térmica: La fibra de carbono se expandirá o se contraerá mucho
menos en condiciones de frío o calor que los materiales como el acero y el aluminio.
Durabilidad excepcional: La fibra de carbono tiene propiedades de fatiga superior en
comparación con el metal, lo que significa que componentes de fibra de carbono no se
desgastarán tan rápidamente bajo el uso constante.
Resistencia a la corrosión: Cuando se hace con las resinas apropiadas, la fibra de
carbono es uno de los materiales más resistentes a la corrosión disponibles.
Radiolucencia: La fibra de carbono es transparente a la radiación e invisible en los
rayos X, por lo que es valiosa para su uso en equipos e instalaciones médicas.
Ultravioleta resistente: La fibra de carbono puede ser resistente a los rayos UV con el
uso de las resinas adecuadas.
Desventajas de la Fibra de Carbono
Los principales peligros para la salud se generan durante la manipulación de las fibras de
carbono, las fibras pueden convertirse fácilmente en polvo que puede ser liberado a la atmósfera.
De no ser controladas, estas fibras microscópicas producen un riesgo potencial para la salud ya
que generan irritación en la piel y en las membranas y mucosas del sistema respiratorio. La
mayoría de fibras tienen una capa exterior de resina epóxica que además causa irritación.
Muchos de los disolventes utilizados en los procesos son volátiles, inflamables e irritantes para la
piel y los ojos.
19
La fibra de carbono se rompe: Cuando se comprime, se empuja más allá de sus capacidades
de fuerza o expuestos a un alto impacto. Se agrietará si es golpeado por un martillo. El
mecanizado y los agujeros también pueden crear áreas débiles que pueden aumentar su
probabilidad de romperse.
Costo relativo: La fibra de carbono es un material de alta calidad con un precio a juego. Si
bien los precios han caído significativamente en los últimos cinco años, la demanda no ha
aumentado lo suficiente como para aumentar sustancialmente el suministro. Como resultado, los
precios probablemente seguirán siendo los mismos para el futuro cercano.
5.1.2. Fibra de Aramida (PRFA)
Las fibras de aramida son fibras de origen sintético y se obtienen por hilado de poliamidas
aromáticas del tipo politereftalato de polifenilendiamina. La aramida es una poliamida aromática
llamada poliparafenilenotereftalamida con una estructura química perfectamente regular cuyos
anillos aromáticos dan como resultado las moléculas del polímero con unas propiedades de una
cadena razonablemente rígida.
Figura 7. Fibras de Aramida: Blogger
Según el procedimiento de fabricación, se distinguen dos tipos de fibras de aramida según su
rigidez: fibras de bajo módulo (E=70 GPa) y de alto módulo (E=130 GPa). Véase Figura 8.
20
Figura 8. Esfuerzos a la tracción VS deformaciones y módulos de elasticidad de algunas fibras como vidrio y
aramida. Ingemecanica.
Ventajas de la Fibra de Aramida
Su ligereza, alta resistencia mecánica y elevada tenacidad han permitido su utilización en
numerosos sectores (materiales compuestos, sustitución del asbesto, fabricación de cables y
tirantes para sujeción de diversos tipos de estructuras, protección antibalística, tejidos y ropas de
protección personal. (Alcaraz, 2007).
Acentuando sus ventajas posteriormente, se han desarrollado otras fibras de aramida, entre las
que destacan las resultantes de la mejora del primitivo Kevlar y las conocidas con las
denominaciones comerciales de Twaron y Technora.
Una clasificación sobre su utilidad y ventajas de las fibras de aramida es la que se realiza
atendiendo a los valores de módulos de elasticidad que presentan. De acuerdo con este criterio,
resultan tres grupos de fibras:
21
De bajo módulo (“low modulus”, LM).
Con módulo intermedio (“intermediate modulus”, IM).
De alto módulo (“high modulus”, HM).
Figura 9. Propiedades de las fibras de aramida de bajo y alto modulo. Arana. M. (2013).
Desventajas de la fibra de Aramida
Se pueden destacar una baja resistencia a compresión y flexión, así como también perdidas de
resistencia en presencia de humedad y baja adherencia a con algunas matrices como lo son los
termoplásticos, adicionalmente su precio es elevado en comparación con otras fibras. (Herrera. P.
2015).
5.1.3. Fibra de Vidrio (PRFV)
Las fibras de vidrio, por su bajo precio y versatilidad, son el esfuerzo más empleado en
materiales compuestos de matriz polimérica (PMC, “Polymer-matrix composites”). Sin
embargo, va aumentando la competencia que sobre ellas ejercen las fibras de carbono y de
aramida. Estas fibras, de altas prestaciones, presentan un conjunto de propiedades que compensa
sus costes y las convierte, para determinados usos, en una alternativa a la clásica fibra de vidrio.
Además, en un PMC, consiguen que este material pueda reemplazar a otros utilizados
tradicionalmente en diversas aplicaciones (Alcaraz, 2007).
22
Figura 10. Fibra de Vidrio: Tecnología de Plásticos Blogger
Ventajas De La Fibra De Vidrio
Durante las últimas cinco décadas, la tecnología de la fibra de vidrio ha evolucionado
significativamente para producir un material avanzado que ofrece una alternativa superior a los
productos de tuberías tradicionales (Futurepipe, 2014).
Los usuarios finales de todo el mundo eligen la fibra de vidrio por sus ventajas principales:
Estructura ligera: Una alta relación resistencia/peso ofrece costos de transporte y de
instalación inferiores en comparación con materiales como el acero o el hormigón. La
fibra de vidrio es liviana y fuerte.
Longevidad: Una mayor durabilidad extiende el ciclo de vida del sistema de forma
significativa más allá de lo que ofrecen otros materiales alternativos. La fibra de
vidrio es económica y no perjudica al medio ambiente.
Capacidad de adaptación: Ofrece una excelente resistencia contra ambientes
corrosivos, incluidos suelos, agua salada, H2S y aplicaciones químicas. La fibra de
vidrio dura más tiempo.
Eficiencia: Proporciona más rendimiento hidráulico que el acero, el hierro dúctil y el
hormigón, reduciendo significativamente los costos de operación. La fibra de vidrio
es rentable.
23
Versatilidad: Acomoda una variedad de opciones de montaje y configuraciones
complejas debido a su versatilidad, capacidad para soportar altas presiones,
temperaturas y cargas así como intensos parámetros de resistencia química. La fibra
de vidrio funciona en muchas aplicaciones.
Desventajas de la fibra de vidrio
Aislamiento: La Fibra de vidrio es una forma común de aislamiento, pero tiene muchas
desventajas. Es potencialmente perjudicial para los seres humanos y su eficacia depende mucho
del clima. Por ejemplo, si hay una diferencia significativa entre la temperatura exterior y el
interior templado, aislamiento de fibra de vidrio es menos efectivo para mantener el calor dentro
(Peyton. 2018).
5.2. Refuerzo de muros de mampostería con fibras poliméricas
Son múltiples las técnicas que existen para reforzar y/o reparar muros de mampostería. Por
mencionar algunos; reemplazo de piezas dañadas, reparación de grietas, inserción de barras de
refuerzo, revestimiento estructural de hormigón armado, encamisado con mallas metálicas y
refuerzo con materiales compuestos, como por ejemplo los reforzados con polímeros reforzados
con fibras.
Los principales parámetros que definen las características de refuerzo de fibra no son sólo la
resistencia a la tracción, que generalmente es mucho mayor a las tensiones de tracción a las que
se somete el refuerzo de FRP, sino también el módulo de elasticidad. Cuanto mayor sea el
módulo de elasticidad de las fibras, mayor será la contribución de rigidez. Las fibras más
adecuadas para la restauración de estructuras de concreto armado son las fibras de carbono con
una fuerza media (máxima resistencia a la tracción menos de 2 000 MPa [290 075 psi]) y la
fuerza media-alta (E = 170 a 250 Gpa [24,7 x 106 a 36,2 x 106 psi]). Material compuesto fibroso
24
con un módulo de la elasticidad de valor más bajo se debe usar para la rehabilitación de edificios
de mampostería o estructuras de madera. En este caso, se recomienda el uso de materiales
compuestos de fibra de vidrio o a base de aramida con un módulo de elasticidad < 80 Gpa (11,6
x 106 psi) (MAPEI, 2015).
Se tiene que los polímeros reforzados con fibras de vidrio, son ideales para el refuerzo y/o
rehabilitación de muros de mampostería por sus características físicas y químicas respecto a la
fibra de carbono. Aunque el vidrio y la aramida tienen similitudes en estos aspectos, esta última
es una fibra que hasta ahora se está encausando en la construcción y los costos de uso son altos.
Hay que tener en cuenta la disposición y la correcta instalación de los elementos poliméricos
reforzados con fibras, con el fin de que estos desarrollen todo el potencial para el que fueron
diseñados.
Los compuestos de FRP pueden ser utilizados para mejorar la capacidad a flexión y corte de
estructuras o para restaurar la capacidad original de un elemento afectado por cargas en el plano
o fuera de él, que hayan causado su deterioro. Igualmente, se pueden utilizar para envolver
elementos de mampostería que permitan un mejor grado de confinamiento (Tumialan, et al.,
2009, p. 12).
También se comprende que los polímeros reforzados con fibras son compuestos que se han
convertido en una alternativa a los materiales tradicionales para el reforzamiento de estructuras
de mampostería; son ligeros, no corrosivos y presentan una alta resistencia a la tracción, el
módulo elástico; además en el mercado están disponibles en diferentes presentaciones,
incluyendo láminas y barras de refuerzo (ACI 440-7R, 2010, p. 3). Los materiales están
compuestos por una combinación de una resina sintética y una fibra sintética, las más usadas son
25
la resina epóxica y las fibras de carbono, vidrio y aramida; dependiendo de la fibra que se utilice,
el material compuesto se denomina PRFC, PRFV y PRFA respectivamente.
Tabla 2. Densidades y coeficientes de expansión para los materiales PRF
Densidad típica de materiales FRP (g/cm3)
Acero GFRP CFRP AFRP
7,9 1,2 a 2,1 1,5 a 1,6 1,2 a 1,5
Coeficientes típicos de expansión térmica para materiales FRP
Coeficientes de expansión térmica, x10-6/°C
Dirección Acero GFRP CFRP AFRP
Longitudinal 11 6 a 10 -1 a 0 -6 a -2
Transversal 11 10 a 23 22 a 50 60 a 80
Resistencias promedio a la tensión de las FRP (MPa)
Acero GFRP CFRP AFRP
420 1500 a 2000 3000 a 5400 2500 a 3000
Fuente: ACI 440.7R-10
Figura 11. Grafica Esfuerzo vs deformación de los PRF y acero. ACI 440 7R-10.
A continuación se mostraran las propiedades expuestas en la guía de diseño ACI 440, en el
cual expone las fibras poliméricas más utilizadas en la actualidad, fibras de vidrio (PRFV), fibras
de carbono (PRFC) y fibras de aramida (PRFA), vease a la Tabla 2 y Figura 11, los mudulos
26
elasticos de estos materiales dependen de gran mediad de la composicion de cada uno, por lo
tanto sus valores pueden oscilar entre 70 y 80 GPa para las fibras de vidrio y las de carbono entre
220 y 690 Gpa.
Tabla 3. Propiedades mecánicas de las fibras
Material Esfuerzo máximo a tensión
(ksi)
Módulo de elasticidad –
tensión (ksi)
PRFV 220 10500
PRFA 290 17000
PRFC 550 33000
Fuente: Bastidas E. 2004
Por otro lado si se observa el comparativo referente a la tension que soporta cada una de las
fibras se tiene que la fibra de carbono es notablemente superiror a las otras dos fibras expuestas,
siendo la aramida mas resistente a tensión que la fibra de vidrio, sin embargo es notable que estas
últimas dos sufren un relajamiento similar al acero, vease
Tabla 4; adicionalmente se aclara se que para la instalacion de los polimeros reforzados con
fibras se utilizan tres compuestos de manera regular para su instalacion, imprimante, putty y
saturante, estos tres componentes son materiales epoxicosy al unirse forman una matriz
compuesta, la cual tiene dos objetivos fundamentales, el primero es proteger a las fibras de
agentes ambientales y el segundo es permitir la transmision de fuerzas de la fibra y el material a
recubrir, en este caso, la mampostería.
Tabla 4. Propiedades mecánicas de los materiales epóxicos
Material Esfuerzo
maximo a
tension (psi)
Modulo de
elasticidad –
tension (ksi)
Deformacion
maxima a
tension (%)
Esfuerzo
maximo a
compresion (psi)
Modulo de
elasticidad
compresion (ksi)
Imprimante 1800 105 3 3500 95
Putty 1800 260 1.5 3500 155
27
Saturante 7900 440 2.5 12500 380
Fuente: Bastidas E. 2004
Tabla 5. Comparación entre fibra de carbono y fibra de vidrio.
CARBONO VIDRIO
Alto módulo de elasticidad Bajo módulo de elasticidad
Menor deflexión Mayor deflexión
Cargas permanentes No cargas permanentes
Vigas, losas Columnas y muros
Mayor costo Menor costo
Fuente: Tumialan, G. 2008.
Como se mencionó anteriormente las fibras de carbono sobresalen por poseer un excelente conjunto de
propiedades mecánicas que superan, en general, a las presentadas por las fibras de vidrio y aramida. Estas
últimas destacan por su baja densidad, su resistencia al impacto y su comportamiento como aislantes
térmicos, sin embargo como se puede observar en la
Tabla 5, las fibras de carbono por tener una mayor resistencia a la flexión son mayormente
usadas para reforzar vigas y losas, y las fibras de vidrio por tener un módulo de elasticidad
menor son más compatibles con el bajo módulo de elasticidad de la mampostería, pero si hace
referencia a la mejor resistencia a la deformación bajo cargas sostenidas evidentemente la fibra
de carbono tiene la ventaja por lo cual son más apropiadas para fachadas y exteriores en donde
su durabilidad es mayor.
28
Figura 12. Materiales Compuestos: Ingemecánica (2010).
5.3. Disposición de fibras FRP en refuerzos de muros de mampostería no
estructural
Los muros de mampostería están sometidos a solicitaciones producto de los movimientos
sísmicos, presentando grietas y fisuras. Las fibras y laminados en FRP instalados externamente
mejoran este tipo de comportamiento en los muros.
Existen técnicas de instalación de los tejidos y laminados sobre los mampuestos, las dos más
comunes son el x o también llamado diagonal y en + cruz más conocido como grilla, véase la
Figura 13.
29
Figura 13. Disposición del refuerzo en los muros. (Machado, A. 2004).
La orientación de las láminas en el sustrato del muro, depende de las propiedades que se
vayan a mejorar. Así pues, si se busca mejorar la capacidad por corte las fibras deberán ir
dispuestas de forma horizontal, por otro lado si lo que se busca es mejorar la capacidad a flexión
las fibras deberán ir orientadas verticalmente. Por tanto, para mejorar las dos propiedades
anteriormente mencionadas, se recomienda combinar las dos colocaciones teniendo en cuenta las
teorías de diseño que permitan saber la cantidad de lámina a usar y su adecuada instalación.
(Vega, C. 2015).
En cuanto al diseño en diagonal este requiere menor cantidad de fibra que el diseño en grilla,
pero las grietas de flexión pueden recorrer una distancia mayor en la superficie del paño hasta
que se encuentran con el refuerzo diagonal, lo que genera grietas más anchas y más largas.
30
A continuación se señalan cargas a las cuales están sometidos los muros de mampostería, el
tipo de fibra y la disposición de las mismas para mejorar las propiedades del muro en cada caso:
Compresión uniaxial: Para este caso de falla se recomienda el uso de polímeros reforzados
con fibras de vidrio ya que éstos absorben los esfuerzos a tensión generados por sismos, de esta
manera disminuyen los esfuerzos de corte del muro, incrementa la resistencia, la ductilidad en las
fallas evitando la rotura frágil fuera del plano. Ahora bien se ha demostrado que colocar las
láminas en dirección diagonal aumenta la resistencia del muro hasta un 70% pues reduce los
esfuerzos cortantes. (Rougier, V. 2007).
Tracción uniaxial: Para este caso de falla se recomienda el uso de mallas de fibra de vidrio
ya que poseen alta resistencia a la tracción, éstas distribuyen las cargas en toda la superficie, es
decir disipan la energía producida en los sismos, lo que aumenta la resistencia al impacto y evita
las fisuras en el murete. Otro aporte de las mallas es la flexibilidad que posee, lo que genera
continuidad en las esquinas ya que pueden ser instaladas de manera continua. Se debe tener
cuidado con el traslapo entre el muro y los elementos de concreto ya sean columnas o vigas.
Resistencia al corte: Para este tipo de falla, se recomienda el uso de varillas o barras de
vidrio, éstas se instalan en las juntas horizontales del muro en cada hilada, este refuerzo aumenta
la capacidad a corte de los muros hasta en un 150% (Vega. C. 2015).
5.4. Ensayos en muros de mampostería reforzada con PRF
Es importante aclarar que los resultados de un buen refuerzo con fibras PRF dependen en gran
medida de distintos factores como tipo de fibra, la orientación de las fibras, la cantidad, método y
condiciones en que se produce el compuesto.
31
Se cuenta con un antecedente significativo de estudios realizados a muros reforzados. El
análisis de cargas en el plano como fuera de él, ha sido descrito por distintos autores en los
últimos años bajo diferentes condiciones de carga, tipo de fibra y orientación de las mismas.
Para muros reforzados con PRF se realizan pruebas de compresión para evaluar el modulo
elástico y el módulo de corte, así mismo se realizan ensayos de carga lateral monotónica y
dinámica en el plano para evaluar su rigidez y resistencia.
5.4.1. Ensayo Monotónicos o Estáticos para muros no reforzados
Este procedimiento consiste en aplicar fuerza lateral al muro ubicado en el marco de carga
utilizando un gato hidráulico, se mide a través de deformímetros mecánicos sensibles instalados
en la cara opuesta a la aplicación de la carga, se verifican los desplazamientos del muro, véase la
Figura 14 (Vega. C., 2015, pág.108).
Figura 14. Montaje del ensayo Monotónico, Vargas, C. (2015).
En conclusión esta técnica consiste en aplicar cargas laterales de manera creciente a cierta
velocidad, hasta provocar la rotura diagonal del muro. Luego, se controlan los desplazamientos
laterales de manera creciente hasta provocar el colapso del muro. La limitante de este ensayo es
que alcanza valores de ductilidad superiores a los obtenidos en ensayos sísmicos, por no
32
contemplar el mayor valor de deterioro que producen los desplazamientos laterales, aunque la
rigidez lateral y la resistencia al corte inicialmente son similares.
Adicionalmente se le pueden realizar ensayos estáticos a las fibras, lo cual sirve para obtener
la resistencia a tracción de cada uno de los laminados, así como también el modulo elástico y la
carga ultima; la norma que se usa para realizar estos ensayos es la ASTM D 3039 - standard test
method for tensile Properties of polymer matrix composite materials. (Vega, C. 2015).
5.4.2. Ensayo Dinámico o Cíclico para muros no reforzados
Esta técnica consiste en dar valores para el desplazamiento lateral, para los que debe incluir el
comportamiento elástico e inelástico del muro. Seguidamente para cada valor de desplazamiento
se debe realizar la aplicación de mínimo tres ciclos de carga y descarga hasta que el lazo
histerético se normalice, cuando esto no ocurre el muro ha colapsado. A partir de la gráfica
obtenida de los resultados se obtiene una envolvente promedio, la cual indica un parámetro del
comportamiento sísmico de manera experimental de los muros. Se muestra el montaje para el
ensayo. Véase la Figura 15.
Es necesario profundizar el concepto de amortiguamiento histerético para entender el
desarrollo de este ensayo; El amortiguamiento histerético consiste en un fenómeno en el que dos
o más propiedades físicas se relacionan de una manera que depende de las historia de su
comportamiento previo. Si el material del elemento está en el campo inelástico o no lineal y
además de esto es sometido a inversiones en sentido de la carga aplicada, se dice que presenta
amortiguamiento histerético. (García, 1998).
33
Figura 15. Montaje del ensayo Dinámico, Vargas, C. (2015).
En el caso de los ensayos dinámicos o ensayos de fatiga a tensión de las fibras, el objetivo
fundamental es conocer el número de ciclos que resiste el material hasta el fallo, para estos
ensayos se usa la norma ASTM D 3479 – Standard test method for tensión – tensión fatigue of
polymer matrix composite material, al igual que la norma ASTM D 3039, esta menciona la
geometría, dimensiones y preparación de los especímenes, pero adicionalmente menciona el
control de defectos de borde en las probetas. (Vega, C. 2015).
34
6. MÉTODO DE DISEÑO PARA REFORZAMIENTOS EN MUROS DE
MAMPOSTERÍA CON POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS
La filosofía de diseño del reforzamiento de muros de mampostería no estructural con el uso de
polímeros reforzados con fibras se encuentran en la guía de diseño ACI 440.7R-10, en donde
indica todos los parámetros y criterios de diseño, así mismo establece los criterios para el
correcto cálculo de la restricción de volcamiento de los elementos, también indica que este tipo
de reforzamiento no es recomendable para un reforzamiento general en la estructura, ya que este
método no realiza una transferencia de cargas de piso a piso, razón por la cual es recomendable
usarlo en refuerzos localizados de la estructura.
Cabe aclarar que esta es una guía americana la cual sirve de orientación para que un ingeniero
estructural bajo su criterio realice el diseño del reforzamiento de muros de mampostería con
polímeros reforzados con fibras.
6.1. Propiedades de los materiales
La norma ACI 440 7R-10, presenta una serie de limitaciones de los materiales, como lo son
los mampuestos y los PRF, un ejemplo claro de esto se presenta en la Tabla 6.
Tabla 6. Limitaciones de los PRF según el tipo de mampostería
Fuente: ACI 440 7R-10 (2015)
35
6.2. Principios Básicos de diseño a Corte
Para el cálculo de la resistencia a corte del curo reforzado con PRF se busca que la capacidad
nominal a corte sea mayor a la capacidad solicitada en el mismo. La capacidad nominal
resultante será igual al aporte que haga el elemento como el realizado por el PRF seleccionado.
La separación del sistema de FRP puede ocurrir si la fuerza de la mampostería no puede ser
sostenida por el sistema de FRP en el estado límite de resistencia. Para un sistema típico de FRP
que es lineal elástico hasta el fallo, la tensión en el sistema de FRP dictará el nivel de tensión
desarrollado en el sistema. Para evitar la separación, se coloca una limitación en la tensión
desarrollada en el laminado de FRP. La tensión máxima y la tensión correspondiente que pueden
alcanzar los sistemas de FRP antes de desligarse del sustrato de mampostería se definen como la
fuerza de deformación efectiva ε Fe y la tensión efectiva F Fe, utilizada para el diseño de la
flexión fuera del plano y el refuerzo de las paredes de mampostería en FRP en plano y son
calculados con las ecuaciones en orden respectivo.
Donde κ m es un coeficiente de reducción de enlaces calibrados usando datos experimentales
disponibles de diferentes investigadores y se definen como.
{
Con base en el conocimiento actual y los datos experimentales, la ecuación anterior es
aplicable sólo cuando la fuerza total por unidad de anchura (por barra para los sistemas de NSM)
que el sistema transfiere FRP al sustrato de mampostería satisface la limitación dada en la
ecuación.
36
{
{
La fuerza de deformación efectiva ε Fe y la tensión efectiva F Fe que se deben utilizar para el
diseño de cizallamiento en muros de mampostería reforzados con FRP, se pueden calcular de
acuerdo con las ecuaciones respectivas.
El coeficiente de reducción de enlaces para los modos de fallo de cizallamiento controlado κ v
depende del índice de refuerzo FRP ω f, se define en la ecuación.
√
√
Para los modos de falla controlados por cizallamiento, el coeficiente de reducción de enlace se
calibra nuevamente con base a datos experimentales. El coeficiente para los modos de falla
controlados por cizallamiento es igual para los laminados de FRP y para los sistemas de FRP de
NSM y se proporciona en la ecuación.
{
Similar a los modos de falla controlados por flexión, la ecuación anterior es aplicable solo
cuando la fuerza por unidad de ancho (por barra para sistemas NSM) que el sistema de FRP
transfiere al sustrato de mampostería satisface la limitación dada en la ecuación.
37
{
{
6.3. Principios Básicos de diseño a Flexión
Para este cálculo se debe buscar que la capacidad nominal a flexión del elemento sea mayor
que la capacidad solicitada por el mismo. La capacidad nominal resultante será igual a la
sumatoria de momentos de las fuerzas producidas en cada zona de reforzamiento; para cualquier
inquietud sobre procedimientos de diseño, el lector puede remitirse al documento ya
referenciado.
Existen dos casos en los cuales se deben considerar los límites de fortalecimiento. Estos casos
son muros de mampostería que resistan cargas fuera del plano y muros de mampostería que
resistan cargas dentro del plano, para lo que se debe cumplir respectivamente;
( ) ( )
Donde,
H es efecto de la presión lateral de la tierra y D efecto de carga muerta.
( ) ( )
Donde,
W es efecto de la presión lateral del viento y D efecto de carga muerta.
MuMn
38
Normalmente los fabricantes de fibras no tienen en cuenta propiedades como la exposición a
largo plazo a las condiciones ambientales, pero éstas establecen un factor importante en la
determinación de la tracción, ruptura de fluencia y resistencia a la fatiga de los laminados FRP.
Tabla 7. Factores de reducción para sistemas de PRF y condiciones de exposición
Condiciones de exposición Tipo de fibra Factor de reducción del
Medio Ambiente del tipo de
fibra CE
Exposición interiores
(Ejemplo, las particiones)
Carbón 0,95
Vidrio 0,75
Aramida 0,85
Exposición exteriores
(Ejemplo, lado interno de las
paredes exteriores)
Carbón 0,85
Vidrio 0,65
Aramida 0,75
Entorno agresivo (Ejemplo,
paredes de sótanos)
Carbón 0,85
Vidrio 0,50
Aramida 0,70
Fuente ACI 440.7R-10
Por lo tanto la ecuación de diseño a la tracción se basa en la condición de exposición
ambiental utilizando el factor de reducción ambiental para el tipo de fibra y condición de
exposición, véase la Tabla 7.
Donde,
F fu, Diseño resistencia a la tracción última de FRP, psi (MPa).
CE, Factor de reducción ambiental.
F fu*, Resistencia última a la tracción del material FRP reportado por el fabricante, psi (MPa).
39
De igual manera el diseño por ruptura también se ve afectado por las condiciones de
exposición ambiental.
Donde,
ε fu, Diseño de ruptura del refuerzo FRP en (Mm / mm).
CE, Factor de reducción ambiental.
ε fu *, Tensión de ruptura final del refuerzo FRP según lo informado por el fabricante, psi
(MPa).
Los polímeros reforzados con fibras, los cuales son fibras orientadas en una dirección son
linealmente elásticos hasta el fallo. Su módulo de elasticidad no varía representativamente con
la exposición al medio ambiente y la historia de carga, así pues se puede calcular según la
ecuación.
Donde,
Ef = Módulo de elasticidad en tracción de FRP, psi (MPa).
F fu, Diseño resistencia a la tracción última de FRP, psi (MPa).
ε fu, Diseño de ruptura del refuerzo FRP en (Mm / mm).
6.4. Detalles de transferencia de Carga
Así como se mencionó inicialmente es de vital importación tener en cuenta la restricción al
volcamiento en este tipo de reforzamiento, es claro que este tipo de reforzamiento está aportando
rigidez al elemento pero no se está continuando con la trayectoria de cargas de la estructura, sin
embargo se debe fijar o anclar el refuerzo a la base del elemento, véase la Figura 16.
40
Figura 16. Detalles restricciones de volcamiento y transferencias de carga, Tumialan, G. (2008).
6.5. Ejemplo Numérico
En cuanto al ejercicio práctico de reforzamiento de muros no estructurales con FRP, se toma
al pie de la letra el propuesto por el ingeniero Gustavo Tuliaman en el año 2008.
Descripción y Propiedades de la Mampostería
f’m=1,500 psi
emu = 0.0025
Espesor, tm=12 in. (nominal)
An=50.4 in2/ft
Mortero Tipo N (asumido)
Mortero aplicado sólo en paredes exteriores del bloque
Celdas de los bloques sin grout
Propiedades del PRF – Sistema PRFV/Epóxico
Láminas – Reforzamiento a Flexión
– Láminas en los dos lados del muro
41
– ffu*=220,000 psi
– Efu=10,500 ksi
– Espesor, tf=0.014 in.
Varillas – Reforzamiento al Corte
– Varillas en un solo lado del muro
– ffu*=110,000 psi
– Efu=5,920 ksi
– Area, Af=0.05 in2
6.5.1. Reforzamiento a flexión
Momento último:
Mu = 1245 lb-ft/ft
Carga axial ultima:
ftlbftpsfPu /54917.10609.0
(60 psf-peso propio del muro)
Determinar si el muro necesita reforzamiento:
fr =10 psi (Modulo de ruptura para mampostería en condición regular – ASCE 41-06)
Capacidad a la Flexión:
Módulo de Sección: S = 160 in3/ft
Área: An = 36 in2/ft
42
Esfuerzo en tensión:
frpsiAn
Pu
S
Mufb 78
Muro necesita refuerzo a la flexión
Resistencia requerida:
ftftlbMu
Mn /075,260.0
1245
Resistencia Efectiva a la Tensión de Laminas de PRFV:
Resistencia de diseño: ffu = CE x ffu* = 0.65 x 220 = 143 ksi
Resistencia efectiva:
km = 0.45
ffe = km x ffu = 0.45 x 143 =64 ksi
Área de PRFV requerida
2
70.0
70.0'70.0
ctfAMn
cffA
mfef
mfef
c = 0.245 in
Af = 0.034 in2/ft
Ancho de PRFV Requerido:
ftinA
A
n
f
f /4.2014.0
034.0
Usar 5 in. de PRFV espaciado a 24 in
Verificar que no se exceda el espaciamiento máximo :
Sfmax= 3tm + wf = 3x11.63 + 5 = 39.9 in > 24 in. OK.
43
6.5.2. Reforzamiento a corte
Fuerza de corte ultima:
Vu = 15,000 lbs = 15 kips
Determinar si el muro necesita reforzamiento:
An = 14.7 ft x 36 in2/ft = 530 in
2
Usar valores conservadores recomendados por ASCE-41 para corte:
(1) Mampostería en condición buena: 27 psi
(2) Mampostería en condición regular: 20 psi
(3) Mampostería en condición mala: 13 psi
Vm = 20An = 10,600 lbs
Resistencia al corte del muro no reforzado:
fVm = 0.80Vm = 84.8 kips < Vu
Resistencia del muro al corte necesita ser incrementada
Resistencia de diseño de varillas PRFV:
ffu = CE x ffu* = 0.65 x 120 = 78 ksi
Calculo del esfuerzo efectivo de PRF
Asumir espaciamiento inicial, cada dos hiladas: sf = 16 in
Numero de varillas:
12fs
Hn
Área total de FRP: Af = n x Afb
Cuantía de refuerzo:
173.0'
mn
ff
f
fA
EA Entonces kv = 0.40
44
ffe = kv x ffu = 31.2 ksi
Contribución al Corte de PRF
Fuerza que una varilla transfiere a la mampostería:
pfv = Afb x ffe = 1560 lb < 10000 lb OK
lbss
dpV
f
vfvf 160,17 lbs
s
dpV
f
vfvf 160,17
Resistencia al Corte del Muro Reforzado
Vn = Vm + Vf = 27,760 lbs
fVn = 22,208 lbs > Vu
Colocar Varillas #2 PRFV cada dos hiladas (16 in.)
Esquema del Reforzamiento
Figura 17. Disposición de Varillas y fibras FRP, Presentación Simpson Gumpertz & Heper Inc. 2007.
45
7. INVESTIGACIÓN BIBLIOGRÁFICA
En este numeral se desarrolla una descripción cronológica de la investigación que se realizó
para generar el Estado del Arte del uso de Polímeros Reforzados con Fibras (PRF) como material
de reforzamiento en muros de mampostería no estructural en Colombia, por lo tanto se exponen
fuentes colombianas de investigaciones académicas, así mismo se muestra la información
obtenida por parte de las empresas distribuidoras de PRF, y por último la entidad que se ha
pronunciado frente a las consultas para el aval de este material.
Bastidas E., Molina L. (2004). Se desarrolló una investigación experimental, en la cual se realizaron diferentes
pruebas de la mampostería, la primera fue para evaluar el comportamiento de vigas de mampostería, para este
ejerció se construyeron trece (13) muretes de mampostería en bloque No. 5 y tres (3) en bloque de perforación
vertical; de las trece unidades de mampostería construidas en bloque No. 5 se reforzaron 4 unidades con
disposiciones diferentes de refuerzo en fibra de vidrio con diferente espesor, variando de 2 a 5 cm para cada tres
muretes y adicionalmente se dejó un murete sin ningún tipo de refuerzo, el cual sirvió para comparar los resultados
de aumento de resistencia y ductilidad que proporciona el refuerzo con polímeros reforzados, para el caso de los tres
muretes construidos con bloque de perforación vertical se reforzaron con disposición vertical variando de 2 a 5 cm;
véase Tabla 8 y Tabla 9
El objetivo principal de este reforzamiento era medir la resistencia a la flexión de los muretes
de mampostería utilizándolos como vigas simplemente apoyadas y posteriormente sometiéndolos
a carga monotónica ubicada los tercios de la luz de apoyo.
El resultado del ensayo realizado al murete sin refuerzo tipo A, evidencio que el espécimen no
resistió ninguna carga, dado que al retirar el plástico que lo tenía confinado el elemento se
fracturo a la mitad.
46
Tabla 8. Disposición de refuerzo vigas de mampostería en BPH
Fuente. Bastidas E,. Molina L. (2004).
Tabla 9. Disposición de refuerzo vigas de mampostería en BPV
Fuente. Bastidas E,. Molina L. (2004).
Los resultados obtenidos en los muretes tipo B y tipo C, presentaron un colapso similar, el
cual fue de adherencia y separación de piezas, mientras que los muretes tipo D, además de tener
las mismas fallas anteriormente mencionadas presentaron problemas de figuración por esfuerzos
cortantes en las zonas cerca de los apoyos de los muretes, finalmente los muretes tipo E
47
presentaron las mismas fallas pero fueron mayores las fallas de cortante en la zona de los apoyos;
véase Tabla 10.
Tabla 10. Valores Experimentales de Momento y Deformación Máxima
Fuente. Bastidas E,. Molina L. (2004).
Mientras tanto los resultados para los muretes tipo F, G y H, muestra que, el murete tipo F se
partió sin que se lograra medir su resistencia, esto debido a problemas con la adherencia entre el
mortero y piezas de mampostería, el murete tipo G fallo por deficiencia de resistencia a cortante
y problemas con la adherencia entres las fibras y el murete, el murete tipo H fue el espécimen
que soporto una mayor carga, la falla ocasionada por la carga impuesta fue fisuración en piezas
de mampostería y falta de adherencia entre los mampuestos y la fibra, esto corresponde a flexión
combinado con cortante, véase tabla 4
Tabla 11. Valores experimentales de momento y deformación máximo
48
Fuente. Bastidas E,. Molina L. (2004).
Para el segundo tipo de reforzamiento buscaba realizar un ensayo a flexión fuera del plano,
para este ensayo se construyeron tres muros a escala, dos de ellos en bloque No. 5 y el restante
en prensado liviano, véase Tabla 12.
Tabla 12. Disposición de refuerzo muros de mampostería ensayos fuera del plano.
Fuente. Bastidas E,. Molina L. (2004).
Los resultados de los especímenes tipo I y J soportaron cargas superiores a las esperadas, para
lo cual fue necesario una sobre carga aproximada de 670 kg para lograr el colapso, debido a esto
fue evidente que no se presentaron fallas locales en ninguna pieza, tampoco se observaron
deformaciones en la parte media del muro; mientras que el murete tipo K presento una falla en
las fibras por tensión en la zona de conexión del muro – marco metálico, esto fue producto de la
disminución del refuerzo horizontal
49
Para el tercer tipo de reforzamiento, ensayo a corte, se construyó un muro en mampostería
confinada, el mampuesto utilizado fue bloque No. 5, el refuerzo fue determinado de acuerdo al
resultado en los ensayos de volteo, teniendo en cuenta que estos ensayos reflejaron que la fibra
debía encamizar el marco para proveer la estabilidad fuera del plano, véase Tabla 13.
Tabla 13. Ensayo de carga paralelo al plano
Fuente. Bastidas E,. Molina L. (2004).
Este último espécimen evidencio fisuras para derivas horizontales de 0.22%, las cuales fueron
absorbidas por las fibras, el marco en concreto presento grietas en los nodos para una deriva en el
orden de 0.45%, sin embargo se empezaron a evidenciar grietas en la ménsula donde se aplicaba
la carga cerca del 0.70% de la deriva.
G. Tumialan (2008). El Ingeniero Gustavo Tumialan, ha sido un investigador de gran
importancia en métodos de reforzamiento con el uso de Polímeros Reforzados con Fibras, la
presentación del seminario “Reforzamiento de Elementos de Mampostería con sistemas FRP”
50
del año 2008 que dio lugar en el mes de septiembre en Bogotá, Medellín y Pereira; en este
seminario se expuso sobre técnicas de reforzamiento tradicionales y con el uso de FRP (vidrio y
carbono), consideraciones para la selección del sistema FRP, limitaciones del sistema FRP,
método de diseño para el reforzamiento a Flexión y Corte, y finalizó con algunos ejemplos de
aplicación.
Figura 18. Grafica Esfuerzo vs Deformación, FRP vs Acero, G. Tumialan (2008).
A partir de sus investigaciones el ingeniro Tumialan realizó la Gráfica Esfuerzo vs
Deformación, véase la Figura 18, en donde compara el Esfuerzo a la Tracción vs la Deformación
unitaria de la fibra de carbono, fibra de vidrio y el acero, reflejando que la fibra de carbono es
superior en Esfuerzo a la tracción a la fibra de vidrio y a su vez tiene una deformación unitaria
más baja a la misma, adicionalmente es evidente la superioridad de estas dos fibras en
comparación con el acero.
Así mismo ostenta algunas diferencias entre las dos fibras expuestas, en donde dice que el
bajo módulo elástico de la fibra de vidrio la favorece para su uso como material de refuerzo en
mampostería, sin embargo también resalta que las fibras de carbono son más apropiadas para
fachadas o exteriores debido a su durabilidad, como también su resistencia a la deformación es
óptima para su uso en muros de carga.
51
De acuerdo a los resultados obtenidos de los ensayos realizados por el Ingeniero Tumialan,
véase Figura 19 y Figura 20, expone que se reflejaron 3 Estados de Límite de falla, el primero
corresponde a fallas debido a pérdida de adherencia entre PRF y mampostería, (Figura 21), el
segundo evidencia la falla a tensión, fractura de PRF (Figura 22), y por último se muestra la falla
a compresión, (Figura 23).
Figura 19. Modelo para ensayo a Flexión con láminas FRP, Tumialan. G. (2008).
Figura 20. Ensayo a flexión, Tumialan. G. (2008).
52
Figura 21. Falla debido a perdida
de adherencia, Tumialan. G.
(2008).
Figura 22. Falla en tensión,
Tumialan. G. (2008).
Figura 23. Falla a compresión,
Tumialan. G. (2008).
H. López (2012). Desarrolló una investigación en el Laboratorio de Estructuras y Materiales
de la Escuela Colombiana de Ingeniera donde estudió el comportamiento estructural bajo cargas
laterales cíclicas en el plano de pórticos de concreto con muros de relleno conformado por
unidades macizas de mampostería de concreto, reforzados con tejidos de polímeros reforzado
con fibra de carbono y de vidrio. Construyó 6 muros de 2.15 x 1.50 x 0.15 m, y se reforzó con
fibra en grilla, vertical y horizontal, se definió que los pórticos deberían tener vigas y columnas
de 0.15 m x 0.15 m, y una viga base de 0.30 m x 0.15 m, véase la Figura 24.
53
Figura 24. Configuración reforzamiento con PRF. López. G. (2012).
La resistencia pico lateral en el espécimen sin reforzar esta entre 43 kN y 49 kN y en
especímenes reforzados con FRP, demostró que la capacidad máxima lateral esta entre 40 kN y
51 kN, lo cual no presento una diferencia considerable en cuanto al aporte de FRP como material
de reforzamiento, sin embargo el autor concluye a partir de las gráficas histéricas que los muros
reforzados logran mantener la carga lateral pico por algunos ciclos de carga, mientras que el
muro sin refuerzo presenta una caída abrupta luego de alcanzar su máxima carga, lo que implica
que los muros reforzados presentan un incremento considerable de la ductilidad del elemento.
Tabla 14. Resultados curva histerética
54
Fuente: López H. (2012)
Adicionalmente los resultados indicaron un incremento en la resistencia que estuvo entre 3.0 a
3.7 veces con respecto a los especímenes sin reforzar, véase la Tabla 14, adicionalmente la
capacidad de los muros reforzados a deformación también mejoró con valores de hasta 3.0% de
la altura del elemento. En la Tabla 15 se resumen los valores máximos de deformación y
esfuerzo del tejido de FRP obtenidos por el Ingeniero Hugo López.
Tabla 15. Deformación y esfuerzos en las bandas de PRF
Fuente: López H. (2012)
Vega. C. (2015); Vega. C., Torres. N. (2018). De acuerdo a la indagación desarrollada se
encontró que el ingeniero Camilo Vega desarrolló en el año 2015 una investigación experimental
en donde evaluó el comportamiento dinámico de muros de mampostería no estructural
reforzados mediante polímeros reforzados con fibra de carbono, y en el año 2018 realizo un
artículo de investigación en acompañamiento con la Ingeniera Nancy Torres, en donde realizaron
55
aportes adicionales a la misma investigación, de manera experimental construyó 14 muros a
escala real con bloque en arcilla No. 5, seis de ellos tenían dimensiones de 1.23 de ancho por
1.90 m de alto y los 8 restantes tenían una dimensión de 2.47 m de largo por 1.90 m de alto; Se
ensayaron a carga lateral dinámica y carga estática en el plano del muro, para lo cual inició
realizando ensayos monotónicos a partir de los cuales estableció el protocolo de carga para
realizar los ensayos dinámicos. En la Figura 25 se muestra los tipos de muro construidos y sus
dos tipos de reforzamiento.
Figura 25. Muros reforzados. (a) Muro corto en grilla, (b) muro corto en diagonal, (c) muro largo en grilla, (d)
muro largo en diagonal. Vega. C. pg. 83 (2015).
Para la construcción de estos muros a escala el ingeniero se orientó en el Manual AIS
anteriormente mencionado, y para los cuales construyó una viga inferior y superior para cada
uno de los especímenes a fallar, la orientación de la fibra fue en grilla, vertical, horizontal y
diagonales, para su respectivo calculo siguió los criterios de diseño de la norma ACI 440.7R-10.
56
Los muros fueron reforzados con tiras de Carbono instaladas en una sola cara y anclados por
el lado opuesto, así mismo los diseños utilizados para la disposición de la fibra fueron en rejilla y
diagonal, véase ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. Los diseños de los
efuerzos de FRP para los especímenes de la muestra se basan en las directrices establecidas en el
documento ACI 440.7R-10.
Figura 26. Dimensiones de los muros y disposiciones de los refuerzos con fibras de carbono, a) tipo grilla, b)
tipo diagonal, Vega. C., Torres. N. pág., 17. (2018).
Para el sistema de anclaje utilizó 4 métodos expuestos en la norma ACI 440, los cuales
fueron, corbatines de PRF, extensión del PRF hasta la cimentación, macizos de concreto y
extensión de los PRF hasta el macizo y por último Macizos de concreto con los PRF pasando a
través del macizo. A continuación, se relaciona en la Tabla 16 los especímenes a prueba.
Tabla 16. Códigos de identificación para los especímenes de prueba
57
Fuente: Vega. C. pg. 108 (2015)
Los resultados de los ensayos realizados a los sistemas de anclaje mostraron que el sistema de
corbatín de PRF, no tuvo un buen comportamiento ya que presentó una falla por
desprendimiento, lo que ocasionó el desprendimiento del muro con la cimentación, por lo tanto,
no pudo evaluarse el muro reforzado ante las cargas dispuestas, véase Figura 27.
Figura 27. Falla del sistema de anclaje 1, a) muro corto fallado, b) y c) detalle de la falla del corbatín, d)
estado del corbatín al quitar el muro. Vega. C. (2015).
En el sistema de anclaje de Extensión de los PRF hasta la cimentación tampoco se vio un
desempeño optimo del anclaje, nuevamente se presentó un desprendimiento de la cimentación
58
con el muro y nuevamente el muro quedó intacto y no fue posible evaluar en material de
refuerzo, Figura 28.
Figura 28. Fallas del sistema de anclaje 2, a) y b) fallas por tensión del chaflán, c) y d) desprendimiento de la
fibra en el traslapo. Vega. C. (2015).
En el sistema de anclaje de los Macizos de concreto y extensión de los PRF hasta el macizo
tuvo un mejor comportamiento a los sistemas anteriores soportando cargas superiores pero
también se presentó el desprendimiento del muro a la cimentación, lo que evitó evaluar el muro
reforzado, Figura 29.
Figura 29. Fallas del sistema de anclaje 3, a) y b) desprendimiento de la fibra del macizo, c) falla por tensión
del macizo. Vega. C. (2015).
Finalmente el sistema de anclaje de macizos en concreto con los PRF pasando a través del
macizo, arrojaron un resultado óptimo, siendo superior soportando cargas, se presentó una falla
59
por rotura de la fibra en la zona del anclaje (macizo), lo que se consideró como óptimo ya que al
fallar la fibra se cumplió con el objetivo de llevar el material a su máxima capacidad, luego de
analizar los resultados de los anclajes se consideró que el sistema de anclaje 4 cumplió
satisfactoriamente en el objetivo de la investigación, Figura 30.
Figura 30. Falla de la fibra en el sistema de anclaje 4. Ruptura de la fibra en la zona donde atraviesa el
macizo. Vega. C. (2015).
El programa de pruebas consistió en dos fases, la primera fase carga monotónica de
especímenes de muro y la segunda fase carga cíclica. Estas pruebas fueron llevadas a cabo en la
Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito en Bogotá, Colombia.
• Carga monotónica: El objetivo principal de esta fase fue evaluar el sistema de anclaje. Esta
fase involucró pruebas de cuatro muros bajo cargas monótonas en el plano, que incluye dos
paredes de mampostería no reforzada utilizados como muestras de control. La carga en el
plano se aplicó a una velocidad de carga de 0,22 kN / s, hasta llegar al fallo del sistema de
anclaje.
Al realizar los ensayos monotónicos se compararon los diferentes tipos de configuración de
refuerzo y los anclajes anteriormente mencionados, para lo cual se evidenció que el muro en
grilla con el sistema de anclaje 4 tuvo un incremento hasta de 18 veces el muro sin refuerzo y
60
para el refuerzo diagonal con el sistema de anclaje 4 se evidenció un aumento de hasta 5 veces el
muro sin refuerzo, lo cual garantiza una mayor eficiencia para el sistema general.
• Carga cíclica: El objetivo de esta serie fue la evaluación de los dos diseños de refuerzo que
trabajan en conjunto con el sistema de anclaje. Esta serie consistía en comprobar cuatro
muros bajo carga lateral cíclica en el plano, después de un método de desplazamiento
controlado tal como se especifica por la FEMA 461. La secuencia de carga consistió en
ciclos repetidos de aumento paso a paso de amplitudes de deformación. Se realizaron dos
ciclos para cada amplitud. La carga cíclica se aplicó a una frecuencia de 0,15 Hz.
En cuanto a los ensayos dinámicos en donde se usó el sistema de anclaje 4, fue evidente que
la configuración en grilla tuvo una capacidad de carga de hasta 18.8 veces la de la mampostería
sin refuerzo y la de refuerzo diagonal tuvo una resistencia de hasta 12.8 veces, para los muros
largos el resultado fue de 7.1 y 8.1 para las configuraciones en diagonal y grilla respectivamente.
Sin embargo, a pesar de haber reforzado estos especímenes, no se tuvo un aumento significativo
en su resistencia (0.6% en los muros cortos y 2.5 % en los muros largos), como se esperaba
inicialmente, pero si se mejoró la forma de la falla, el elemento reforzado fue menos frágil.
De los resultados obtenidos, los autores concluyeron que el uso de las fibras de carbono como
material de refuerzo en los muros de mampostería logró disminuir el fallo frágil en los paños,
también observaron mayor aumento en la capacidad de carga en el plano, demostrando la
contribución de la fibra en el refuerzo. Así mismo evidenciaron la eficiencia del sistema de
anclaje en cuanto a la transferencia de cargas para paredes de mampostería sometidas a cargas en
el plano. En cuanto a la disposición de las fibras de carbono identificaron que el diseño más
favorable es el tipo grilla ya que las tiras dispuestas en sentido vertical de los extremos, controlan
61
las grietas producto de la flexión y tiene fallas progresivas pero requiere una mayor cuantía de
refuerzo, por el contrario las dispuestas en diagonal dan espacio a que las grietas sean más largas
y anchas hasta encontrarse con la tira de carbono pero tienen un mejor costo beneficio en cuanto
a resistencia máxima. También el diseño tipo grilla o cuadricula mostró menos degradación de
la rigidez lateral a comparación del diseño en diagonal.
Ahumada G. (2015). Como objetivo de su investigación plantea realizar el estudio técnico y
económico de técnicas de reforzamiento de fachadas de mampostería, para lo cual el autor
expone varios tipos de reforzamiento para mampostería, los mencionados por la NSR 10 y otros
como valor agregado, los cuales organiza en 5 grupos, reforzamiento con mallas, reforzamientos
con elementos de acero, concreto reforzado, reparación de grietas y reforzamiento con elementos
laminares, este último incluye el material de fibras de carbono con matriz de resina de polímeros
(FCRP).
El tema de reforzamiento con elementos laminares incluye, varillas de fibra de vidrio, platinas
o correas de acero, láminas de tereftalato de polietileno (PET) reciclado, listones de madera y el
ya mencionado anteriormente, fibras de carbono con matriz de resina de polímeros (FRCP), la
primera comparación que hace el autor es económica, para lo cual expresa los valores en salarios
mínimos legales vigentes en Colombia del año 2015, año en el cual se realizó la investigación, en
este comparativo es evidente que el uso de PRF es más costoso en comparación con los otros
métodos expuestos, véase Tabla 17, dejando este material como última opción a la hora de
tenerse en cuenta en un reforzamiento si lo fundamental es la viabilidad económica.
Tabla 17. Comparativo de costos por metro cuadrado de reforzamiento
62
Fuente: Ahumada. G. (2015).
Posterior a este comparativo el autor realiza dos comparativos adicionales, en donde relaciona
varios factores, en el primero evalúa los diferentes tipos de reforzamiento en cuanto a su
desempeño elemento no estructural, nivel de costo, normatividad, dificultad técnica, posibilidad
de intervención, véase la Tabla 18; y en el segundo hace una evaluación patológica, véase la
Tabla 19, para ambos comparativos los evalúa como se señala a continuación, Relación muy
fuerte _ 4, Relación fuerte_3, Relación media_2, Relación débil_1 y cuando no hay relación_0.
Tabla 18. Matriz de relación de los sistemas de reforzamiento, con sus propiedades de desempeño, nivel de
costo, aspectos normativos, dificultad técnica y posibilidad de intervención.
63
Fuente: Ahumada. G. (2015).
Tabla 19. Matriz de relación de los sistemas de reforzamiento con resolución de patologías de las fachadas
64
Fuente: Ahumada. G. (2015).
65
AIS. (2012-2018). Secretaria Comisión Asesora permanente para el régimen de
construcciones sismo resistentes, en la plataforma de esta entidad después de una exhaustiva
búsqueda se encontraron las actas en las cuales se ha tratado el tema sobre el uso de Polímeros
Reforzados con Fibras como material de reforzamiento y en las que se citan las solicitudes por
parte de ingenieros o empresas que buscan el aval de la entidad para el uso de estos materiales de
refuerzo.
Las actas emitidas por la comisión que dan respuesta a las solicitudes son las actas 105 (19 de
junio de 2012), 115 (13 de julio de 2013), 134 (25 de agosto de 2016), 135 (12 de octubre de
2016), y 140 (13 de julio de 2017); la comisión se mantiene al aclarar que el uso de fibras
poliméricas no está reglamentado en la NSR-10 y que no hay normas técnicas que homologuen
dichos materiales, adicionalmente recalca que este método de reforzamiento no garantiza la
transferencia de carga de la estructura piso a piso.
66
8. CASOS EN COLOMBIA DONDE SE HA REFORZADO Y/O REHABILITADO
CON PRF
En seguida se observan estructuras de mampostería no estructural reparadas y reforzadas con
PRF en Colombia. Un común denominador de estas estructuras, es que son de gran valor
histórico en el país. Sin embargo, la información encontrada fue muy escasa debido a los
inconvenientes legales que estos podrían desencadenar a los proveedores de estos productos,
debido a que su uso no ha sido avalado en muchos casos fuera de los criterios de diseño
previamente expuestos.
9.1 Preescolar carrizales, Envigado Antioquia.
En el mes de diciembre del año 2015 y a comienzos del año 2016 se realizó una amplia
inversión fruto de un exhaustivo trabajo de reforzamiento realizado por la firma bogotana Y&J
INGENIERIA.
En la zona se registra un clima de 21 ° C y una humedad relativa del 70%, adicionalmente
posee un ambiente pluvial con épocas húmedas y dos épocas secas, las épocas húmedas son las
que más afectan las estructuras, y aún más cuando no se realizan mantenimientos periódicos a las
estructuras, en este caso los agentes climáticos atacaron directamente los mampuestos por el
estado de la pintura, la cual exponía los materiales del muro dejando al descubierto la
mampostería, lo que finalmente genero fisuras y grietas en varias zonas perimetrales del muro.
67
Figura 31. Preescolar Carrizales. www.carrizales.edu.co
La obra involucro intervenir un porcentaje considerable de la estructura, para lo cual se
realizaron perforaciones en forma de cruz para insertar las fibras de vidrio, lo que aporto a la
estructura rigidez, estas fibras se comportan como correas de seguridad que amarran toda la
estructura para evitar fracturas del material en caso de ocurrir un sismo; adicionalmente se
construyeron columnas de amarre a cierta profundidad garantizando un confinamiento superior
en la estructura, y finalizo con actividades de resanado y pintura.
(a)
(b)
68
(c)
(d)
Figura 32. Proceso de reforzamiento con el uso de PRFV, a) Conformación de regatas, b) y c) Nivelación de
la superficie mediante mortero estructural, d) Instalación de sistema de refuerzo con fibra de vidrio. Y&J Ingeniería
(2016).
9.2 Casa de eventos Villa Salvatorina en Chía
Un caso de estudio en donde se utilizó el método de reforzamiento con PRFC, este se realizó
en la casa de eventos Villa Salvatorina en Chía, Cundinamarca, las causas probables del daño
fueron, aumento de cargas por el cambio de uso, inclusión de nuevas unidades sanitarias, la
humedad retenida por la vegetación causo en los muros criptoeflorescencias o cristalización de
sales atrapadas dentro de la red capilar inferior, esto causo deterioro o desintegración de los
materiales; la intervención realizada inicio con el retiro de la vegetación sobre los muros
afectados, debido a lo anterior esta construcción presento grietas y fisuras horizontales se
reforzaron los muros de fachada con la colocación de láminas de fibra de carbono instaladas
vertical, horizontal y diagonalmente, esta configuración se dispuso según diseño de
reforzamiento y se realizó desde la cimentación y sobre ambas caras de los muros, véase Figura
33.
69
Figura 33. Imágenes de proceso de reforzamiento de la fachada. Y & J Ingeniería.
La estructura de fachada tuvo un comportamiento óptimo durante el sismo de 5.5. Grados, del
24 de mayo de 2008. Se registraron algunas fisuras en el pañete y en unas uniones de
mampostería con unidades de concreto, sin embargo no se reportaron daños de importancia en la
fachada reforzada, de acuerdo al investigador, Ingeniero Gustavo Ahumada, este sistema de
encamisado le da una mayor ductilidad al elemento y le permite reducir las fallas frágiles y
explosivas producto de cargas sísmicas, véase Figura 34
70
Figura 34. Estado actual Villa Salvatorina. Ahumada. G. (2015).
9.3. Chimenea antiguo matadero municipal - nueva biblioteca universidad distrital.
A finales de 2013 la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, estrenó la biblioteca
Central Aduanilla de Paiba ubicada en el antiguo matadero municipal. Se intentaron construir
proyectos en este espacio como centros comerciales, pero por factores como fenómenos
paranormales y asentamientos de habitantes de calle en el sector, nunca se dio alcance a estas
iniciativas, finalmente fue cedido a la UD.
El antiguo matadero municipal, hoy biblioteca de la Universidad Distrital cuenta con una
chimenea o torre crematoria construida en 1926, la cual fue símbolo de la revolución industrial
en Bogotá y donde según habitantes del sector, allí se incineraron muertos producto del famoso
Bogotazo.
Con el fin de mantener la emblemática chimenea y preservar su valor histórico, se planteó
desmontar ladrillo a ladrillo, hacer un bloque de concreto y volverlos a instalar, dicho
procedimiento era costoso y no garantizaba que la chimenea quedara igual. Por esta razón y
71
luego de realizar los estudios complementarios se decidió usar el método de cintas reforzadas
con fibras de carbono, las cuales aparte de cumplir su función estructural, aportaron a la estética
original de la estructura, véase Figura 35. (Revista Construcción metálica 18, 2013, Pág. 82).
Figura 35. Chimenea Emblemática Biblioteca Universidad Distrital. Cortes (2013).
9.4. Iglesia de Nobsa Boyacá
Otro caso en Colombia es la rehabilitación de la iglesia de Nobsa en Boyacá, fue construida
en 1898 monumento estilo barroco. Se desarrolló un proyecto de restauración de los muros de la
estructura en enero de 2004 a base de tejidos de fibra de carbono, véase Figura 36, Figura 37 y Figura
38. (Chapple, P., 2010, pág.40).
72
Figura 36. Fachada Iglesia Nobsa Boyacá. Rendón. (2013).
Figura 37. Reforzamiento de muros internos Iglesia Nobsa Boyacá. Rendón. (2013).
Figura 38. Muros internos reforzados con CFRP Iglesia Nobsa Boyacá. Rendón. (2013).
73
9.5. Iglesia de Quimbaya Quindío
Esta iglesia construida en 1950 con muros en bloques macizos de arcilla con un espesor de 40
cm, sufrió daños considerables en el sismo que afectó al eje cafetero en enero de 1999. Se llevó
a cabo la rehabilitación con polímeros reforzados con fibras de vidrio, las cuales se instalaron en
la cúpula, en el contorno de las ventanas y adherido a los muros laterales, finalmente se dio un
acabado con mortero de 4 mm, véase Figura 39, Figura 40 y Figura 41.
Figura 39. Reparación con PRFV de la iglesia de Quimbaya, Quindío. Rougier, V. (2007)
Figura 40. Reparación con PRFV de la iglesia de Quimbaya, Quindío. Rougier, V. (2007)
74
Figura 41. Tejido de fibra de vidrio SikaWrap 100G en la parte externa de los muros de fachada iglesia de
Quimbaya, Quindío. Rougier, V. (2007)
75
10. COMPARATIVO ECONÓMICO
En este capítulo se busca realizar una comparación económica de un muro en mampostería no
estructural reforzado con polímeros reforzados con fibras de carbono vs la demolición del muro
existente y construcción de un muro en mampostería confinada, y también se tomará como
referencia la mampostería parcialmente reforzada, para este ejemplo se realizara la comparación
basándose en una unidad de metro cuadrado, (m2), de cada uno de los casos mencionados, y se
evaluara la viabilidad económica de utilizar este método de reforzamiento.
Para realizar el comparativo económico se utilizara el análisis de precios unitarios expuesto
por el ingeniero Gustavo Ahumada, el cual esta expresado en salarios mínimos mensuales legales
vigentes en Colombia (SMMLV), véase Tabla 17; para el caso del valor de demolición, este
valor se obtuvo de la página web, Generador de precios, Colombia, en la cual se indica que para
demolición de un muro en mampostería no estructural (divisorio) revestido, formado por ladrillo
perforado de 12 cm de espesor, con medios manuales y carga manual de escombros sobre
camión es de $ 3.853.55; este valor de demolición se sumara a los valores de, mampostería
confinada, y mampostería parcialmente reforzada, dando por entendido que estos dos tipos de
reforzamiento implican la demolición del elemento, mientras que para el muro reforzado con
PRFC no se requiere la demolición del sección a reforzar.
Tabla 20. Comparativo técnicas de reforzamiento.
Fuente: Elaboración propia.
TECNICAS DE REFORZAMIENTO DE
MAMPOSTERIA UNIDAD
COSTO DEL
REFORZAMIENTO
COSTO EN
SMMLV
COSTO
TOTAL
POLIMEROS REFORZADOS CON FIBRAS DE CARBONO M2 222.763,20$ 0,269 222.763,20$
MUROS CONFINADOS M2 84.467,83$ 0,102 88.321,38$
MUROS PARCIALMENTE REFORZADOS M2 67.077,40$ 0,081 70.930,95$
DEMOLICION DE MUROS M2 3.853,55$
SALARIO MINIMO MENSUAL LEGAL VIGENTE (2019) 828.116$
76
Se tomaron los valores expuestos por el ingeniero Gustavo Ahumada, debido a que las
empresas distribuidoras no suministraron los precios.
Es evidente que el uso de PRFC como método de reforzamiento aunque preserva la estructura
original, es notablemente más costoso en comparación con métodos convencionales como lo son
muros confinados y/o muros parcialmente reforzados, véase Tabla 20, sin embargo, si se compara
el método de aplicación o ejecución de cada uno de estos tipos de reforzamiento, se puede inferir
que el uso de PRFC es más rápido que los otros dos métodos señalados, esto puede deberse al
uso de concreto y acero en los otros tipos de reforzamiento, lo que implica mayor tiempo de
preparación de la zona de trabajo, armado del acero, tiempo de fraguado y desencofrado del
concreto; pero aun así, no deja de ser mucho más costoso el reforzamiento con el uso de
polímeros reforzados con fibras.
77
11. CONCLUSIONES
El uso de FRP como material de refuerzo disminuye el fallo frágil en los muros, aumenta
la resistencia máxima entre 50 y 80% y la capacidad de deformación lateral entre 70 y
110%. Así mismo las FRP contribuyen en la reducción del tamaño y espesor de las
grietas.
Se toma como referencia los resultados obtenidos por el Ingeniero Camilo Vega de los
que se puede inferir que la configuración del reforzamiento en grilla aun que incorpora un
50% más en la cantidad de FRP que el diseño en diagonal, la disposición en grilla aporta
mayor capacidad a flexión y a corte que la disposición en diagonal. También se debe
tener en cuenta que la distribución en diagonal permite que las grietas producto de la
tensión, avance en el paño hasta que ésta se encuentra con una fibra en ese sentido, lo que
genera grietas de gran extensión y espesor. Se aclara que cada caso de diseño de
reforzamiento con FRP es único y no se deben tomar como valores definitivos o de
referencia ninguna de los mencionados en este documento.
Se toma como referencia los resultados obtenidos por el Ingeniero Camilo Vega de los
que se puede inferir que la configuración del reforzamiento en diagonal presenta una
mejor resistencia a carga máxima en comparación con la configuración en grilla, y que la
configuración en grilla requiere una mayor cuantía de PRF para igualar la resistencia de
la configuración en diagonal pero aumenta la ductilidad del elemento reforzado, sin
embargo, esta última disminuye la falla frágil y la distribución de grietas en el elemento.
De acuerdo a los ensayos realizados por el Ingeniero Camilo Vega, se determinó que los
muros reforzados con este sistema presentaron un comportamiento elástico hasta
aproximadamente una deriva del 0.5%, a partir de este resultado se comporta de una
78
manera inelástico, hasta alcanzar un desplazamiento máximo que oscila entre 1.5% y
2.0% de deriva, por lo tanto podemos concluir que en cuanto a ductilidad se encuentra un
valor aproximadamente de 2.9, recalcando que parte de esto se debe a los anclajes a la
base del muro, por lo tanto el autor recomienda que el valor de Ro esta entre 1.5% y
2.0%, en este caso el autor uso láminas de fibra de carbono, las cuales según nuestra
investigación pueden alcanzar un esfuerzo máximo de rotura de 1.67%, por lo tanto
podemos inferir que si se realizan estos mismos ensayos usando como material de
reforzamiento láminas de fibra de vidrio, las cuales tienes un módulo de rotura de 2.10%,
se pueden alcanzar resultados superiores a los obtenidos con la fibra de carbono,
adicionalmente se debe resaltar la configuración en la que se instale la lámina como
material de refuerzo, ya que revisando los resultados obtenidos por el ingeniero Vega, se
concluye que cuando se usa una configuración en grilla el elemento obtendrá un mayor
desplazamiento, mientras que cuando se usó la configuración en diagonal los
desplazamientos de los especímenes fueron menores.
De acuerdo a la investigación y el comparativo económico se concluye que el uso de
polímeros reforzados con fibras como material de reforzamiento de muros no
estructurales es bastante costoso en comparación con los costos de inversión de muros
confinados y muros parcialmente reforzados, sin embargo estos valores son un
acercamiento al valor real de los casos, ya que para el uso de PRFC está sujeto al diseño
estructural ejecutado por un profesional competente, ya que este método se cotiza
comercialmente por metro lineal, y depende del tipo de disposición la cuantía que
requiera el reforzamiento.
79
Al iniciar la investigación se pretendía realizar una comparación entre las tres fibras
expuestas por la ACI 440.7R-10, fibra de vidrio, fibra de aramida y fibra de carbono; sin
embargo, los distribuidores anteriormente mencionados no fabrican laminas en fibra de
aramida, y solo fabrican láminas de vidrio bajo solicitud del cliente, lo que nos deja solo
una fibra al alcance comercial, la fibra de carbono. Adicionalmente cabe resaltar que el
correcto uso y funcionamiento de los polímeros reforzados con fibras no solo dependen
de las características mecánicas de las fibras, sino también, dependen en gran medida de
las propiedades mecánicas de la pasta epóxica, la cual debe garantizar su adherencia con
la superficie del elemento.
Según los datos que soportan este trabajo de grado podemos indicar que de la marca
BASF, las láminas de fibra de carbono (MasterBrace FIB 300/50 y MasterBrace FIB
600/50) poseen un módulo elástico de 227 Gpa, mientras que la lámina de fibra de vidrio
(masterBrace 900/50 GF) tiene un módulo elástico de 72.4 Gpa, lo que reitera la
afirmación del Ing. Tuliaman es su investigación, que dice que la fibra de vidrio por
poseer un menor módulo elástico en comparación con la fibra de carbono, es más
aceptable para reforzamiento de mampostería, pero cabe aclarar que ambos productos
ofrecen optimas características mecánicas que aportan resistencia a la mampostería, y
solo es bajo diseño y la solicitud requerida que se puede elegir entra las dos fibras.
Finalmente concluimos que aunque el uso de polímeros reforzados con fibras como
material de refuerzo para mampostería no reforzada, está restringido por la Asociación de
ingeniera sísmica, no es un mal método para reforzamiento, ya que como se expone en la
investigación académica de este documento, incrementa las propiedades mecánicas del
elemento, pero tiene limitaciones, como lo es su sistema de anclaje, en cuál es el
80
encargado de transferir las cargas, no obstante, este debe ser implementado por un
profesional en diseño de estructuras que se oriente de la guía ACI 440.7R-10, el cual es el
único documento que presenta una orientación para su diseño, así mismo se recalca que
la orientación, cantidad y distribución de los polímeros reforzados con fibras están bajo
criterio del profesional competente y el tema se encuentra en investigación.
81
12. RECOMENDACIONES
En el manual de construcción, evaluación y rehabilitación sismo resistente de viviendas
de mampostería, emitido por la Asociación de Ingeniería Sísmica (AIS) en el año 2001,
se avala el uso de materiales compuestos para el reforzamiento de muros de mampostería
no estructural, no obstante, en la actualización de la NSR-10 se excluye como método de
reforzamiento y la Secretaria Comisión Asesora Permanente Para el Régimen de
Construcciones Sismo Resistentes – AIS en el año 2012 lo ratifica mediante el Acta 105.
Esta transición en la normativa tiene como punto de partida la necesidad de actualizar los
métodos constructivos en función de la zonificación sísmica del país e implementar
métodos de reforzamiento estructural para las edificaciones que no cumplen con la nueva
normativa.
Aunque en un principio el reforzamiento con polímeros reforzados con fibras era una
alternativa que brindaba durabilidad y mejoraba las condiciones de resistencia en las
estructuras, la falta de investigación, de criterios de diseño y de normativa en el tema,
dejo como resultado la prohibición del uso de este método debido a que no garantizan la
transferencia de cargas.
De acuerdo con lo anterior, esta investigación se vio limitada por la falta de información
en relación con los casos en los que se hayan implementado los métodos de
Reforzamiento con PRF en Colombia durante la última década, lo que de por sí solo evita
que se tenga un inventario claro y preciso al que se le pueda hacer control para verificar
la efectividad del método. En caso de existir estructuras con la intervención del
reforzamiento con PRF se entiende que no cumplen con los lineamientos establecidos por
la NSR-10.
82
A partir de la información recolectada se establece que el reforzamiento de muros de
mampostería con el uso de Polímeros Reforzados con Fibras requiere de una mayor
investigación, sobre todo, para su sistemas de anclaje, dado que la principal negación de
su uso es porque el método no garantiza una transferencia de carga piso a piso, y esto
limita su aval, así mismo se recalca la necesidad de investigación no solo por parte de la
académica, sino también por parte de las empresas distribuidoras, las cuales conocen el
método y su eficacia como material de reforzamiento en otros países, pero no se han
tomado la tarea de demostrar que este método puede llegar a cubrir las necesidades de
reforzamiento en Colombia.
Se resalta que en Colombia no existe normativa que establezca los parámetros de calidad
y de resistencia que deben cumplir los PRF para su uso como material de reforzamiento,
por lo que las empresas distribuidoras adoptan la normativa internacional como la ACI
440, que es una guía de diseño, con el objeto de cumplir con los estándares de calidad.
Es de vital importancia que una vez se avance en el marco investigativo también se debe
avanzar en el normativo, que uno y otro deben atender las necesidades específicas del
país.
Se recomienda incluir la modelación de muros no reforzados con el uso de materiales
compuestos, en nuestro caso el uso de Polímeros reforzados con fibras, esto puede
generar un impulso en el uso de este material y su practicidad al momento de calcular su
efectividad como técnica de reforzamiento.
83
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