PRFV (GFRP) Y AGRIETAMIENTO

Autor: Juan Alberto Sánchez Hernández.- Ingeniero Civil, Maestro en Administración, Analista en Concreto Reforzado mediante diseño con barras de PRFV y Acero.

El concreto no es un material resistente a la tensión, por lo que ante este tipo de solicitaciones tiende a agrietarse. Las solicitaciones por tensión al concreto pueden provenir de deformaciones por cambios volumétricos, fuerzas cortantes y tensiones provocados por momentos flexionantes.

Cuando los esfuerzos provocados por las solicitaciones mencionadas superan a la escasa capacidad del concreto, entonces aparecen los agrietamientos.

Los momentos flexionantes generan fuerzas tensionantes en el concreto, y cuando estas fuerzas superan los límites de la capacidad de concreto, producen agrietamientos. Estos agrietamientos pueden ser significativos cuando el refuerzo para tensiones posea capacidades muy elevadas o bien cuando las cuantías de refuerzo son altas, es decir estructuras sobre reforzadas e híper reforzadas, como suele suceder con el PRFV y su filosofía de diseño.

El agrietamiento del concreto, en estructuras reforzadas con barras de acero, puede ser causa del deterioro del acero mismo, pero en el caso del PRFV (GFRP), realmente son más de tipo estético o pueden acusar una eminente falla.

Independientemente del tipo de barras de refuerzo que se utilice, PRFV (GFRP) o Acero, la aparición de grietas es imposible de eliminarse por completo, pero si de limitarse a valores de 0.1 mm a 0.5 mm (González & Robles, 2016).

De acuerdo a los estudios realizados por (Broms, 1965), En vigas, las grietas primarias suelen presentarse a bajas cargas y pueden alcanzar al eje neutro, estas grietas en el límite de resistencia se suelen dividir en fisuras horizontales. Las grietas secundarias, son pequeñas grietas que se desarrollan hasta la altura del refuerzo a tensión.

Se han desarrollado muchos modelos que pretenden establecer el mecanismo de aparición y distribución de grietas, así como derivar de estos, la predicción del ancho del agrietamiento. Estos mecanismos tienen bases mecanicistas y elementos empíricos que les da cierta certeza. Los estudios experimentales han concluido que lo que más influye en el agrietamiento resulta ser:

1. El corrugado de las barras de refuerzo.
2. El espesor del recubrimiento.
3. La separación entre barras de refuerzo.
4. El esfuerzo en las barras de refuerzo.

Este último factor, sin duda está ligado al comportamiento de esfuerzo deformación, el cual evidentemente resulta que la deformación en la barra será proporcional al esfuerzo resistido y esta a su vez influirá en el concreto.

Dentro de los mecanismos de evaluación de grietas, se encuentran el de la Portland Cement Asociation, (P.C.A.), La de Cement and Concrete Asociation (C.A.C.A.), la de Gergely y Lutz. Pero el (ACI 440.1R, 2015) actualmente se enfoca más en la propuesta de Frosch (1999) para evaluar la grieta, la cual está basada en la teoría clásica de materiales y ajustada en base a los resultados de (Broms, 1965).

Donde la grieta máxima se calcula mediante la siguiente expresión:

El esfuerzo de FRP al servicio, , se puede evaluar realizando un análisis de la sección agrietada-elástica. Mas no es posible aplicar los mecanismos de evaluación de secciones reforzadas con acero, ya que el diseño con FRP se rige a menudo por el límite de servicio relacionado con el control de la deflexión y el ancho de la fisura, así como por los efectos de fatiga y rotura por fluencia (Hernández Caneiro, Wainshtok Rivas, & Díaz Pérez, 2015) deducen las fórmulas aplicables al modelo.

 

 

No obstante, actualmente el ACI 318 y por consiguiente el 440, en lugar de especificar un ancho de fisura máximo permisible, propone determinar el espaciamiento máximo de barras (s), necesario para alcanzar el estado límite de fisuramiento basado en las propiedades de refuerzo del PRFV (GFRP) a la tensión. Aunque no se indica expresamente en el código el origen de estas expresiones, se ha podido determinar que esta expresión es una simplificación de la propuesta por (Frosch, 1999). Pero es notorio, de acuerdo al ACI, que el procedimiento actual también reconoce el efecto importante que tiene la cobertura de la barra sobre el agrietamiento por flexión.

Este procedimiento de control de fisura por flexión propuesto es indirecto porque el espaciamiento máximo de las barras FRP estipulado por la ecuación anterior cumpliría indirectamente con una anchura de fisura máxima permitida. Ospina y Bakis (2007) describen la lógica de este enfoque indirecto de control de la fisura por flexión.

Para un nivel de tensión de la fibra de PRFV (GFRP) seleccionado y el un límite de fisura objetivo establecido, la evaluación del espaciamiento máximo de la barra FRP por ecuación anterior se basará en el espesor del recubrimiento de concreto (r), medido desde fibra de tensión extrema hasta centro de barra más cercana.  Si se requiere un valor de ‘r’ mayor para requisitos de durabilidad específicos o cualquier otra razón y el límite máximo de la fisura no puede ser ampliado, entonces es necesario reducir el nivel de tensión en el refuerzo de FRP. Esto se logra, aumentando la cantidad de refuerzo de flexión.

La selección del ancho límite de fisura que se utilizará en las ecuaciones depende del uso previsto de la estructura. El procedimiento expuesto por el (ACI 440.1R, 2015) permite controlar diferentes niveles de agrietamiento por flexión, que se extienden desde fisuras muy estrechas en estructuras en entornos agresivos o donde se requiere contener agua (que no filtre), hasta situaciones en las que una grieta más ancha puede ser aceptable debido a la resistencia a la corrosión superior del refuerzo de PRFV (GFRP). En general grietas mayores a las establecidas para el acero pueden usarse con el FRP.

En situaciones en las que el ancho de fisura está limitado por razones estéticas, generalmente se acepta un ancho de fisura limitado en el intervalo de 0.4 a 0.7 mm. No obstante Bakis y Boothby (2004) encontraron que el ancho de fisura en vigas de hormigón reforzado con PRFV (GFRP) bajo cargas sostenidas aumenta más allá de los valores iniciales en aproximadamente 40% para elementos interiores y 60% en elementos exteriores, en los primeros tres años. Lo cual pudiera considerarse valores de agrietamiento de hasta 0.70/1.4= 0.5 mm cómo máximos aceptables en interiores y 0.45 mm en exteriores.

El término Kb es un coeficiente que explica el grado de unión entre la barra FRP y el hormigón circundante. Para barras de FRP que tienen un comportamiento de unión similar a barras de acero sin recubrir, el coeficiente Kb=1. Para barras de FRP con adherencia inferior a la del acero Kb>1 y para barras con adherencia superior a la del acero Kb<1. Métodos de determinación de este factor son explicados en el ‘Canadian Standards Associaton’ en CAN/CSA S806-12.

Un análisis realizado por Bakis et al. (2006) en una variedad secciones de concreto elaborados con refuerzo de FRP, los valores de Kb variaron en el rango de 0.60 a 1.72, con una media de 1.10. Los  datos de los tratamientos superficiales con barra de FRP revestidos con arena tendieron hacia el extremo inferior de este rango, pero el consenso del comité 440 es el de usar Kb=1.4, cuando se desconoce los resultados experimentales de Kb. No obstante se recomienda ser cuidadoso en barras con recubrimiento árenoso las cuales tampoco presentaron buen comportamiento adherente en un estudio realizado por (Padilla, Flores, Cortes, & Landa, 2006).

 

Referencias

ACI 440.1R, A. C. (2015). Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced With Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Bars. ACI.

Broms, B. (Octubre de 1965). Crack Whidth and Crack Spacing in Reinforced Concrete Members. Journal of American Concrete InstituteACI.

Frosch, R. J. (1999). Another Look at Cracking and Crack control in Reinforced Concrete. ACI Structural Journal.

González, C., & Robles, F. (2016). Aspectos Fundamentales del Concreto Reforzado (4 ed.). México: Limusa.

Hernández Caneiro, J., Wainshtok Rivas, H., & Díaz Pérez, I. (2015). Empleo de barras y telas de mallas de PRF como refuerzo del hormigón y el ferrocemento. Diseño Estructural. Habana, Cuba.: Universidad Cujae.

Mosley, C. P. (2002). «Bond Performance of Fiber Reinforced Plastic (FRP) Reinforcement in Concrete», MS thesis. West Lafayet, IN: Purdue University.

Padilla, R. A., Flores, B. J., Cortes, S. V., & Landa, A. G. (2006). CONTRIBUCION AL ESTUDIO DE ADHERENCIA ENTRE VARILLAS DE PRFV Y CONCRETO. XV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural. Puerto Vallarta, Jalisco: SMIE.