Autor: Juan Alberto Sánchez Hernández.- Ingeniero Civil, Maestro en Administración, Analista en Concreto Reforzado mediante diseño con barras de PRFV y Acero.
Uno de los temas que preocupan en el diseño de elementos estructurales, es sin duda la adherencia, especialmente tratándose de nuevas tecnologÃas en materiales, como es el caso de los polÃmeros reforzados con fibras en inglés Fiber Reinforced Polymer. Aun cuando estos materiales representan una alternativa para los problemas de durabilidad observados en los refuerzos a base de barras de acero, la falta de referencias en algunos códigos o bien criterios diversos, generan incertidumbre.
La posibilidad de tener materiales que no se vean afectados por el deterioro del concreto con la edad y por la accionen de sales que degraden el refuerzo haciéndole perder propiedades mecánicas, cómo ocurre con las barras de acero, ha dado pie a la búsqueda de soluciones que resulten económicamente competentes y técnicamente confiables, estando entre estos materiales el PRFV (GFRP.- En Inglés).
El presente artÃculo, pretende facilitar información relativa al tema de adherencia que nos ayude a establecer una metodologÃa confiable en el diseño estructural.
El ensayo de pull-out (normas ASTM C900 y UNE-EN 12504-3) ha sido ampliamente utilizado en la determinación de las propiedades de adherencia en el caso de concreto armado con barras de acero. Aunque las tensiones que se generan en el concreto durante este ensayo difieren de las que experimentan los elementos de concreto armado ante solicitaciones, este ensayo es comúnmente aceptado por su sencillez y economÃa en la evaluación de la adherencia de las barras de refuerzo. El ensayo de pull-out con barras de FRP permite caracterizar el comportamiento de la interfaz entre la barra de refuerzo y el concreto.
Ante la aparición de diversas alternativas de barras, que se derivan de los materiales que las constituyen, como de su acabado, se han realizado algunas investigaciones tendientes a caracterizar esta propiedad. El (ACI, American Concrete Institute Committee 440, 2015), considera el trabajo de (Mosley, 2002), para concluir que el comportamiento entre compuestos de Fibras de Aramida (AFRP) y Fibras de Vidrio (GFRP) poseen similitud en su propiedad de adherencia, por lo que recomiendan la misma expresión desarrollada por (Wambeke & Shield, 2006) para determinar el esfuerzo de adherencia que puede alcanzar la barra.
Condición de equilibrio de la barra sometida a una solicitación:
(Wambeke & Shield, 2006) en ensayos principalmente realizados con GFRP, determinaron mediante regresión de los resultados obtenidos, la siguiente expresión (con coeficientes redondeados) para evaluar el esfuerzo de adherencia entre las barras y el concreto, utilizando el (SI).
Sustituyendo la expresión (2.0), en (1.1), después de algunos ajustes, podemos expresar el esfuerzo en la fibra, debido a la adherencia de la siguiente forma.
Expresión que fue mejorada para reducir la probabilidad de falla, e introduciendo un factor que relaciona la posición crÃtica de la barra, quedando cómo sigue:
En la que a adopta valores entre 1.0 cuando existen recubrimientos menores a 30 cm y 1.5 en casos contrario. Aunque algunas investigaciones como las de (Pay, Canbay, & Frosch, 2014), sugieren adecuaciones a estos valores, considerando a = 1.5 muy conservador para barras menores a 15 mm. No obstante, según estos autores, la expresión propuesta por el  (ACI, American Concrete Institute Committee 440, 2015) no parece ser válida para diámetros de 15.9 mm ni 25.4 mm.
Es probable que dicha variación no sólo se deba al tipo de material, sino a la figura de «corrugación» que la barra posee, y algunas investigaciones orientan a eso.
La falta de estandarización en los materiales utilizados para fabricar los FRP, asà como los diferentes acabados superficiales generan la formación de diferentes mecanismos de transferencia de carga por adherencia entre las barras de FRP y el concreto. (Kanakubo, Yonemaru, Fukuyama, Fujisawa, & Sonobe, 1993) refiere el mecanismo de falla mecánica provocado por barras nervadas y el mecanismo de falla por fricción en barras lisas,  (Larralde. J. y Silva-RodrÃguez, 1993) por su lado menciona mecanismos de adhesión-fricción asociados a barras con hendidura en espiral.
El trabajo de (Baena, Torres, Turon, & Barris, 2008) , aun cuando para concreto de resistencia estándar (f’c=28 MPa) no presentan suficientes especÃmenes, al considerar también los resultados obtenidos con concreto de alta resistencia (f’c=52 MPa), nos sugiere que la propuesta del ACI es aceptable para barras nervadas y con hélice siendo las barras con hélice las que incluso pudieran estar subvaloradas y deban considerar un factor de corrección por dibujo de adherencia en la barra KD= 1.10 y aun permanecer dentro del rango conservador. Asà mismo se observa que la calidad del concreto influye en los resultados muestreados, aumentando la resistencia muy por encima de la aproximación evaluada mediante la fórmula (2.0). De la misma forma se observa que a mayor diámetro de las barras menor el valor absoluto de la adherencia perimetral.
Otros estudios, como el presentado en Puerto Vallarta por  (Padilla, Flores, Cortes, & Landa, 2006), evidencÃan que las barras con dibujos de adherencia de superficie arenosa presentan una resistencia menor que las barras nervadas o de hélice. Según esta referencia las adherencias reportadas por las barras con hélice presentaron valores muy próximos a los reportados con barras de acero; no obstante, los de cubrimiento arenoso solo alcanzaron el 50% de dichos valores.
Otros trabajos han detectado variación con relación a módulos de elasticidad de las barras, sin embargo, considerando que el mecanismo de respuesta propuesto por el ACI 440.1R, no involucra este parámetro dentro de la evaluación del esfuerzo perimetral, debe ser suficiente establecer algún factor de reducción KD=0.60, cuando se trate de barras con acabados arenosos, a fin de tomar en consideración las implicaciones de estas investigaciones como las reportadas por (Olea, 2015) y (Sharaky & Torres, 2012).
En conclusión, aun cuando se sigue sugiriendo el empleo del mecanismo indicado por el ACI, en la evaluación de los esfuerzos de adherencia. Se recomienda ser cuidadoso con materiales que no presentan acabados o que solo se les adhirió arena para proveerles de mayor superficie de adherencia y fricción. Para estos, es conveniente realizar pruebas a fin de confirmar el uso de un factor reductor cómo el arriba propuesto.
Asà mismo, concretos inferiores a los 25 MPa, deberÃan tratarse a juicio del proyectista con factores de respuesta debido al diseño de adherencia (KD < 1) o bien recurrir a ensayos de validación.
Referencias
ACI, American Concrete Institute Committee 440. (2015). ACI 440.1R Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Bars. Farmington Hills, MI: ACI.
Baena, M. M., Torres, L. L., Turon, T. A., & Barris, P. C. (2008). Estudio de la adherencia entre armaduras de materiales compuestos de matriz polimérica (FRP) y hormigón. Hormigón y Acero, 59(520 oct-dic), 67-75.
Kanakubo, T., Yonemaru, K., Fukuyama, H., Fujisawa, M., & Sonobe, Y. (1993). «Bond performance of concrete members reinforced with FRP bars», 1st. International Symposium on FRP Reinforcement for Concrete Structures, V. Canada. pp 767-788, A. Nanni, Dolan eds.
Larralde. J. y Silva-RodrÃguez, R. (1993). Bond and slip of FRP rebars in concrete. Journal Materials in Civil Engineering, 5(1), 30-40.
Mosley, C. P. (2002). «Bond Performance of Fiber Reinforced Plastic (FRP) Reinforcement in Concrete», MS thesis. West Lafayet, IN: Purdue University.
Olea, S. S. (2015). «Ensayo de Adherencia de Barras de Anclaje Compuestas por Fibra de Vidrio Reforzado» Tesis de grado. Santiago, Chile: Universidad de Chile.
Padilla, R. A., Flores, B. J., Cortes, S. V., & Landa, A. G. (2006). Contribución al Estudio de Adherencia entre Varillas de PRFV y Concreto. XV Congreso Nacional de IngenierÃa Estructural. Puerto Vallarta, Jalisco: SMIE.
Pay, A. C., Canbay, E., & Frosch, R. J. (2014). Bond Strength of Spliced Fiber-Reinforced Polymer Reinforcement. ACI Structural Journal, V. 111(No.2, March-April), 257-266.
Sharaky, I., & Torres, L. (2012). «Estudio de la Adherencia de barras NSM FRP como refuerzo de estructuras de hormigón» Tesis doctoral. Catalunya, España.: Ministerio de Ciencia e Innovación, Catalunya.
Wambeke, B., & Shield, C. (2006). Development Lenght of Glass Fiber Reinforced Polymer Bar in Concrete. Journal, ACI Structural, V. 103, 11-17.
La presente es una investigación documental, elaborada por MC. Ing. Juan A. Sánchez y se comparte para consulta de las referencias y las conclusiones.
Junio 2017.