Fecha de recepción: 28 de noviembre de 2016
Fecha de revisión: 19 de abril de 2017
Fecha de aprobación: 20 de junio de 2017
RESUMEN
El sistema de refuerzo de estructuras de concreto mediante materiales compuestos se emplea de forma intensiva desde hace 50 años. Sin embargo, aún son numerosas las incógnitas respecto a su comportamiento a largo plazo, siendo fundamental el control de la unión entre el concreto y el refuerzo para asegurar su calidad. Es un sistema de refuerzo que se realiza por adhesión, y como consecuencia de la incertidumbre sobre la tensión de adherencia, en la práctica se resuelve con anclajes que encarecen la obra y que resultan inviables en grandes superficies de refuerzo. Una correcta puesta en obra y con garantías del adecuado comportamiento del refuerzo optimiza y pone en valor este sistema. La implantación de un plan de control de calidad apropiado garantizará la optimización del refuerzo, y permitirá establecer los criterios de mantenimiento adecuados. En la investigación que se presenta se ha desarrollado un plan experimental para el control de calidad de la puesta en obra, basado en el estudio de la unión entre concreto y las bandas de refuerzo, teniendo en cuenta diferentes tipos de concreto y sistemas de preparación superficial. Un plan de control de calidad in situ con ensayos semidestructivos tipo Pull-Offy no destructivos tipo ultrasonidos, permite verificar la efectividad del refuerzo.
Palabras Clave: materiales compuestos; refuerzo de estructuras; control de calidad; adherencia; ensayos pull-off; ultrasonidos.
ABSTRACT
Strengthening systems of concrete structures based on composite materials have been widely used for more than fifty years. However, there are still many unknowns regarding their long-term behaviour, as the control of the bond between the concrete and the reinforcement materials being essential to ensure their quality. This system is based on the adhesion between the concrete and the reinforcing materials, and uncertainties about bond tension, are solved in practice with anchorages that make repair works more expensive and that are not feasible for large surfaces. Correct installation that guarantees the correct behaviour of the reinforcement materials, would optimize this type of strengthening system and its applicability. Furthermore, the implementation of an adequate quality control plan will ensure the optimum behaviour of the system and will allow maintenance criteria to be stablished. This research presents an experimental programme to improve quality control during the installation of composite-based concrete strengthening systems based on the study of the bond between the concrete and fiber composite sheets, and taking into account different types of concrete and surface preparation techniques. An in situ quality control plan with semi-destructive pull offand non-destructive ultrasonic tests, allows verifying the effectiveness of the strengthening to be verified
Keywords: composite materials; structural strengthening; quality control; bond; pull offtest; ultrasonic test.
INTRODUCCIÓN
Una estructura de concreto armado debe satisfacer durante su vida útil, los requisitos para los que fue diseñada. Sin embargo, las condiciones de la misma pueden cambiar a lo largo de su vida útil por lo que, pasado cierto tiempo, la estructura puede precisar operaciones de acondicionamiento y refuerzo que le permitan hacer frente a la nueva situación de servicio. Uno de los sistemas más eficaces para estas operaciones es el refuerzo mediante materiales compuestos, y estratégicos para el desarrollo sostenible Escobar, W. R., Barrera, H. B., & Amarís, H. V. [1]. Se define como material compuesto a "todo material combinado a partir de una unión (no química) de dos o más componentes, que dan lugar a propiedades características específicas, no siendo ninguna de las anteriores" [2]. En la actualidad, es una solución muy utilizada los elementos estructurales de concreto armado (Fibre Reinforced Polymer-FRP). Estos presentan indudables ventajas reconocidas en el ámbito profesional, pero también algunas desventajas que en ocasiones hacen dudar de su eficacia [3]. Una de las principales ventajas de emplear materiales compuestos como elementos de refuerzo se basa en sus excelentes propiedades mecánicas y en su anisotropía. El refuerzo puede ser ajustado a voluntad, orientando las fibras de acuerdo a las direcciones en las que se originan los mayores esfuerzos, lo que permite optimizar el material y reducir los costos.
Dos cuestiones de suma importancia en la ejecución del refuerzo son la calidad y el estado del soporte, y la adecuada colocación de la fibra. El conocimiento en mayor profundidad de las condiciones del soporte, y del estado de la adherencia entre el concreto y los polímeros armados con fibra optimiza el refuerzo. La estructura y propiedades de las uniones entre materiales, por una parte fibra-matriz, y por otra FRP con el concreto, juegan un papel muy importante en las propiedades físicas y mecánicas finales del refuerzo. Los ensayos semidestructivos tipo Pull-Off[4] aportan suficiente información a este respecto, tal y como se recoge en el presente trabajo. En 1997 Horiguchi y Saeki realizaron estudios sobre la idoneidad de los ensayos y la influencia de la calidad del concreto en probetas reforzadas con laminados de fibra de carbono. Analizaron tres tipos de ensayos: ensayos de corte, ensayos de flexión y ensayos de tracción directa Pull-Off[5]. G., & Atadero, R. A. [6] empleó también este ensayo para valorar el comportamiento del FRP a largo plazo.
Bai, Y., Basheer, P. A. M., Cleland, D. J., & Long, A. E. [7] desarrolla la historia del ensayo de Pull-Offy su aplicación en ingeniería. Es el único ensayo de adherencia sobre del concreto que está normalizado. Los documentos ASTM D7522 [8] y ACI 440 3R-12 en su parte 3 [6] proporcionan especificaciones detalladas. Asimismo, el documento de la Sociedad Japonesa de Ingenieros Civiles JSCE-E545-2000 muestra detalladamente el procedimiento para este tipo de ensayo [9]. Los ensayos de adhesión directa sobre el concreto se encuentran definidos en la norma europea UNE EN 1542. [10]
En cuanto a la técnica de ultrasonidos, Scarponi y Briotti. [11], Bastianini, F.ª, Di Tommaso, A.ª y Pascale, G.b [12], han utilizado ensayos de ultrasonidos para determinar defectos de adhesión. Ekenel, M., & Myers, J. J. [13] y Helmerich, R., Milmann, B., & Wöstmann, J. [14] utilizaron esta técnica de inspección no destructiva para la evaluación de delaminaciones en varios materiales compuestos. Por lo tanto, el control del comportamiento de la unión entre materiales es fundamental para eliminar la incertidumbre de la eficiencia de los refuerzos con materiales compuestos [15-16].
El objetivo de la investigación es evaluar la adherencia del refuerzo de FRP en estructuras de concreto armado mediante técnicas no destructivas y semidestructivas, como parte de un protocolo de control de calidad del refuerzo que permita valorar su eficacia. Para la valoración de la efectividad del enlace entre el sustrato y el refuerzo se distinguen dos escenarios, uno local referido al sustrato a reforzar y otro de conjunto, que contempla el sustrato y el refuerzo. La singularidad de la investigación, reside en el estudio de un método no destructivo, como es el ensayo de ultrasonidos, como prueba válida de control de calidad. Basándose en la unión entre el refuerzo de FRP y el soporte [17]. Es una técnica de fácil empleo en obra, en zonas de difícil acceso y de rápida ejecución, a partir de la cual se han podido establecer correlaciones cuantificables con otras técnicas semidestructivas como son las tipo Pull-Offy destructivas como los ensayos a flexión.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Para la ejecución de la investigación completa e implantación del plan de ensayos se elaboraron 100 probetas con dos tipos de concreto, de una resistencia 25 y 40 MPa, 50 de cada tipo. El primero representa al tipo más comunmente empleado en edificación y el segundo en infraestructuras y estructuras singulares.
Para el desarrollo del proyecto de investigación se confeccionaron 30 probetas armadas (15 con concreto HA25 y 15 con concreto HA40), y 70 sin armar (35 con concreto HM25 y 15 con concreto HM40), esta diferencia de distribución de probetas estaba debida a la distribución y número de todos los tipo de ensayo programados, estableciendose como lote mínimo por tipo de ensayo una cantidad de 5, resultando la cantidad indicada. Del total de probetas empleadas en el proyecto de investigación, para el estudio que se describe en este artículo y aplicar las técnicas de pull-offy ultrasonidos se utilizaron un total de 38. Se aplicó refuerzo de FRP al 90% de las muestras, quedando el resto para la obtención de los parámetros iniciales de la investigación.
Para las probetas armadas se ha calculado para una rotura a flexión de la sección en dominio 2, donde su resistencia a cortante es superior a su resistencia a flexión, fallando por falta de capacidad de su armadura traccionada. La armadura colocada ha consistido en 2 Ø 8 mm de acero B 400 S colocadas en la parte inferior con recubirmiento inferior y lateral de 2,5 cm y sin armadura transversal.
El refuerzo se realizó con tejido de fibra de carbono tipo "SikaWrap". Éste se colocó en toda la longitud de las probetas (60 cm) con el objetivo que las longitud de anclaje fuese homogénea en todos los casos, es un tejido de fibra de carbono unidireccional cosido, y resina epoxi bicomponente comercial tipo "Sikadur-300" diseñada para la aplicación a los refuerzos de tejido de fibra de carbono.
Los ensayos realizados corresponden a dos grupos. El primero en el que se incluyen ensayos dirigidos a la determinación de propiedades intrínsecas (influencia de la superficie y de la estructura porosa del concreto en la adherencia) como los ensayos Pull-Offy Ultrasonidos. El objetivo del segundo grupo de ensayos es determinar las propiedades extrínsecas (solicitación mecánica), mediante ensayo mecánico a flexión.
3. PROGRAMA EXPERIMENTAL
Las probetas son prismáticas de dimensiones 150·150·600 mm. Las variables estudiadas han sido el tipo de concreto y el acabado superficial en probetas reforzadas con bandas de FRP.
En cuanto al tipo de concreto se estudian probetas de 25 y 40 MPa de resistencia. Respecto al acabado superficial, previo a la aplicación de la fibra, se imprimieron tres tipos de rugosidades diferentes en la superficie soporte de concreto. La diferencia entre rugosidades, clasificadas como lisa-media-rugosa se consigue según el procedimiento de preparación del soporte (Tabla 1).
Se realizan 120 ensayos tipo Pull-Off. Para la ejecución de estos ensayos, se emplearon las 3 caras de una misma probeta para imprimir los tres tipos de rugosidades. Una vez realizada la preparación de las superficies, se procedió a aplicar el refuerzo de fibra de carbono con resina.
En la medida en que durante el proceso de curado es imprescindible ejercer presión, se diseñó un sistema con anillos metálicos formado por perfiles rectangulares tubulares que presionan el refuerzo asegurando la suficiente homogeneidad (Figuras 1 a 3).
Desde los anillos metálicos a través de unos tornillos a los que se les da un par de apriete de 20 N/m, cada perfil presiona una banda de refuerzo sobre la probeta de concreto.
Se muestra a continuación un resumen del número de probetas utilizadas y numero de ensayos ejecutados (Tabla 2):
3.1. DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS.
El ensayo de flexión se realizó mediante una prensa hidráulica de capacidad 1500 kN según los criterios de la norma UNE-EN- 12390-5-2001 [18], la cual tiene una precisión de 1 N. Los parámetros de ensayo fueron una velocidad de carga de 500 N/s, un intervalo de carga 140 mm e intervalo soporte de 45 mm.
El plan de ensayos a flexión del proyecto de investigación se realizó teniendo en cuenta la comparabilidad de los resultados, en probetas sin reforzar con fibra de carbono con el objeto de obtener un valor de referencia, ensayándose un total de 24 probetas para cada tipo de concreto, distribuidas según se indica en la Tabla 3. Si bien, para el estudio que se expone se emplearon un total de 25 probetas, de las cuales dado el objeto del mismo mayoritariamente de concreto en masa reforzadas, 10 de cada tipo de concreto (HM25 y HM40), y el resto a efectos comparativos, 3 armadas y reforzadas y 2 sin armar ni reforzar.
El ensayo Pull-Offse realizó según la UNE EN 1542:2000 y consiste en la aplicación de una fuerza de tracción normal al plano de ensayo, con el objetivo de obtener la tensión de arrancamiento (MPa).
Se realizaron 120 ensayos sobre refuerzos de fibra de carbono aplicados a 8 probetas sin armar (4 probetas de cada tipo de concreto), en 3 de sus cuatro caras, y 5 ensayos por cara con diferentes tratamientos superficiales A, B, y C, Figuras 4-7, el resultado de ensayo de cada cara ha sido la media de los 5 ensayos ejecutados en la misma. Los ensayos de ultrasonidos se realizaron según la UNE EN 12504-4:2006, [19] con el objetivo de estudiar la calidad de la aplicación del material compuesto. La posición de los palpadores se realizó mediante el sistema de transmisión indirecta de la probeta de concreto. (Figuras 8 y 9).
La toma de datos de ultrasonido se realizó sobre cada una de las 3 caras reforzadas de las 8 probetas destinadas a los ensayos de Pull-Offy sobre cada una de las caras de las 24 probetas destinadas para el ensayo a flexión. Se realizaron 72 medidas antes de la aplicación del refuerzo y otras 72 medidas a posteriori una vez aplicado el refuerzo de FRP. Por lo tanto, y como resultado se obtuvieron dos series de datos, uno de los valores obtenidos sobre el concreto y otra sobre la fibra de carbono aplicada y endurecida.
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS TIPO PULL-OFF
En la Tabla 4 y Figura 10 se muestran los diferentes resultados obtenidos reflejándose los valores medios de la tensión de arrancamiento en MPa obtenidos en este ensayo en relación al tipo de concreto 25 o 40 MPa y al tratamiento superficial A, B o C.
Obteniendo la media de los valores obtenidos de la tensión de arrancamiento para cada tipo de concreto y tratamiento superficial, en la figura 11 se observa que la rugosidad influye en la tensión de arrancamiento.
En probetas de concreto HM-40 a medida que aumenta la rugosidad de la superficie disminuye la tensión de adherencia. Por lo que respecta al tipo de concreto HM-25 no influye la preparación del soporte.
4.2. RESULTADOS ENSAYOS DE ULTRASONIDOS
En la Figuras 12 y 13 se muestran los resultados obtenidos en función del tipo de concreto HM-25 o HM-40 MPa y de la preparación del soporte A, B o C, antes y después de colocar el refuerzo.
En la figura 14 se observa una disminución de la velocidad de propagación para el tipo de concreto HM-40 con el aumento de la rugosidad, la velocidad para la rugosidad tipo A es de 2.710 m/s mientras que para la rugosidad tipo C es de 2.617 m/s, esto es una disminución del 3,4%. Sin embargo, para el tipo de concreto HM-25, aunque también existe una disminución de la velocidad de propagación de la rugosidad tipo A hacia la rugosidad tipo B, se produce una mejora de la velocidad en la rugosidad tipo C. Este comportamiento para las probetas de concreto HM-25 puede ser debido a la mayor porosidad que tiene un concreto de menor resistencia.
4.3. RESULTADOS ENSAYOS DE FLEXIÓN
Se ensayaron probetas de concreto en masa y probetas armadas según cuantías previstas, con y sin refuerzo de FRP. En la Figura 15 se presenta el valor de resistencia a flexión en MPa del ensayo de flexión para los tipos de probeta ensayadas en función del tipo de concreto y refuerzo con FRP.
Para el tipo de concreto HM-40, el mayor valor de resistencia a flexión se obtiene para la preparación de la superficie media (tipo B) 8,69 MPa, si bien no existe una gran variación de la resistencia a flexión entre las tres preparaciones superficiales, que muestran valores respectivos para A, B y C de 8,41 MPa, 8,69 MPa y 8,13 MPa
Por lo que respecta al concreto tipo HM-25, existe claramente un valor de mejora considerable de la resistencia a flexión para la preparación de la superficie tipo C (Figura 16), de 7,69 MPa en la tipo A, a 8,64 MPa en la tipo C.
Una vez analizados los resultados obtenidos de cada uno de los ensayos con respecto al tipo de concreto y las distintas preparaciones de la superficie para la adhesión de la las bandas de FRP, teniendo en cuenta el segundo objetivo de la investigación de establecer un método de control de calidad del refuerzo fiable y no destructivo se han analizado posibles combinaciones de técnicas de ensayo, estableciendo una relación entre los resultados obtenidos en los ensayos de ultrasonidos y los ensayos tipo Pull-Off.
En el diseño del Plan de control de calidad sobre refuerzos de FRP en obra, es preciso considerar ensayos que sean de fácil ejecución, ya que los elementos reforzados pueden tener un acceso dificultoso.
De los ensayos utilizados, el ensayo de ultrasonidos es el método más adecuado ya que al tratarse de un ensayo no destructivo puede ser empleado en mayor extensión. Si con este ensayo podemos establecer parámetros de calidad de la adhesión del refuerzo de FRP y por ende del aumento de la capacidad mecánica del refuerzo, se podrá definir un método de control de calidad rápido, no destructivo y válido para evaluar la calidad del refuerzo ejecutado.
Con esta intención se muestra a continuación la relación entre la velocidad en el ensayo de ultrasonidos y la tensión de arrancamiento que provoca la rotura en los ensayos tipo Pull-Off, como ensayos de control de calidad "in situ".
Correlación entre los ultrasonidos y el ensayo de Pull-Off
Previo a la ejecución de la posible correlación entre ensayos, se ha procedido a realizar un análisis estadístico de los resultados la tensión de arrancamiento de los ensayos de Pull-Offal objeto de la validación de los mismos en los resultados obtenidos se recogen en la figura 17.
Desechando los valores erróneos del ensayo de Pull-Off, se efectúa un análisis entre los resultados obtenidos en los dos ensayos, sin distinción por tipo de concreto, se observa que existe una correlación entre sendos ensayos, con un coeficiente de confianza aceptable. Se presentan en la figura 18 los valores obtenidos con dos tipos de regresiones (lineal y polinómica).
También se recogen a continuación en la figura 19 la correlación de sendos ensayos dividiendo por tipo de concreto, igualmente con los dos tipos de regresiones.
Ante la mayor facilidad, y aun presentando menor coeficiente de confianza, en este trabajo se propone una relación lineal entre velocidad de ultrasonidos y resistencia a la tracción de adherencia del FRP como método de ensayo de control no destructivo para valorar la calidad del refuerzo. Según los resultados obtenidos en este estudio se obtienen las siguientes ecuaciones, para el caso de regresión lineal.
... (1)
... (2)
... (3)
Correlación entre resistencia a flexión y el ensayo de Pull-Off
Se analiza también los resultados de los ensayos de flexión frente a los resultados de Pull-Offcon el objetivo de validar la correlación anterior. En la figura 20 se constata la correlación entre la resistencia a flexión de las probetas y los resultados de los ensayos de Pull-Off, tal y como se puede observar existe una correlación entre los resultados de los dos ensayos para las probetas ensayadas. Sin embargo, bajo nuestro criterio, consideramos que no se deben tomar esta correlación como un método válido para cuantificar numéricamente la mejora del comportamiento a flexión de elemento reforzado mediante los ensayos de Pull Off, pero si viene a demostrar la validez de estos ensayos como sistema de control de calidad.
6. CONCLUSIONES
El control de calidad de las obras de refuerzo de estructuras de concreto armado con materiales compuestos FRP, debe incluir ensayos para evaluar la ejecución, como son los ensayos tipo Pull-Offy ultrasonidos.
Mediante ensayos Pull-Offes posible determinar la preparación del soporte más óptima en función del tipo de concreto, y validar la calidad del refuerzo. En la investigación efectuada se ha comprobado que en el concreto de mayor resistencia la preparación del soporte no incide en la mejora de la adherencia de las bandas de refuerzo. Mediante la ejecución de ensayos de ultrasonidos es posible verificar la preparación del soporte o rugosidad de la superficie, sobre todo en concretos de alta resistencia.
De igual forma, los ensayos de ultrasonidos se pueden emplear para verificar la adecuada preparación del soporte o rugosidad de la superficie, sobre todo en concretos de alta resistencia. En la investigación realizada se demuestra que existe una correlación entre la velocidad de propagación de ultrasonidos y la tensión de arrancamiento en los ensayos Pull-Off, y a su vez éste último con el comportamiento a flexión de refuerzo. Por tanto, mediante el empleo de un ensayo no destructivo, como son los ultrasonidos, es posible valorar el comportamiento del refuerzo.
La valoración cualitativa con un estudio extensivo mediante ultrasonidos, en gran parte de la superficie de los elementos reforzados, complementada con una serie de ensayo de Pull-Offseleccionados en función de los ultrasonidos, permitirían cuantificar el comportamiento del refuerzo. Si bien, no considerándose adecuado establecer correlaciones generales según tipo de concreto, es recomendable realizar dicha correlación en cada refuerzo a verificar. Este aspecto es de considerar en nuevas investigaciones, incorporándose otro tipo de ensayos de posible ejecución in situ en las obras.
Por tanto, y como conclusión final de la investigación, se confirma que es posible efectuar un control de calidad del refuerzo de estructuras de concreto armado mediante FRP con ensayos no destructivos como ultrasonidos y Pull-Off, recomendándose su inclusión en los protocolos de inspección. Tal y como ha quedado demostrado, la variación transmisión de la onda ultrasónica a través del refuerzo puede estar relacionada con la diferente adherencia del mismo, valorada a través de los ensayos de Pull-Off.
AGRADECIMIENTOS
La investigación se inició en el ámbito del proyecto NUREMCO (Proyecto nº: ITC-20131020) financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad, dentro del denominado Programa FEDER-INTERCONECTA en los años 2013-2015, con cargo al Fondo Tecnológico - fondos FEDER (Programa Operativo de I+D+i por y para el beneficio de las empresas - Fondo Tecnológico), continuándose posteriormente por miembros del grupo de investigación Paidi TEP954 de la Escuela de Arquitectura de Sevilla y la empresa LABRUM S.L.
REFERENCIAS
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Copyright Universidad Militar Nueva Granada 2018
Abstract
El sistema de refuerzo de estructuras de concreto mediante materiales compuestos se emplea de forma intensiva desde hace 50 años. Sin embargo, aún son numerosas las incógnitas respecto a su comportamiento a largo plazo, siendo fundamental el control de la unión entre el concreto y el refuerzo para asegurar su calidad. Es un sistema de refuerzo que se realiza por adhesión, y como consecuencia de la incertidumbre sobre la tensión de adherencia, en la práctica se resuelve con anclajes que encarecen la obra y que resultan inviables en grandes superficies de refuerzo. Una correcta puesta en obra y con garantías del adecuado comportamiento del refuerzo optimiza y pone en valor este sistema. La implantación de un plan de control de calidad apropiado garantizará la optimización del refuerzo, y permitirá establecer los criterios de mantenimiento adecuados. En la investigación que se presenta se ha desarrollado un plan experimental para el control de calidad de la puesta en obra, basado en el estudio de la unión entre concreto y las bandas de refuerzo, teniendo en cuenta diferentes tipos de concreto y sistemas de preparación superficial. Un plan de control de calidad in situ con ensayos semidestructivos tipo Pull-Off y no destructivos tipo ultrasonidos, permite verificar la efectividad del refuerzo.