NUEVO SOFTWARE “MAPEI STRUCTURAL DESIGN”

PEDRO ÁNGEL MADERA ARROYO Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos por la UPM. Especialidad Cimentaciones y Estructuras.

Vocal del Comité CNT140/SC2 Eurocódigos estructurales. Estructura de hormigón

Experiencia profesional de más de 20 años en Rehabilitación de Estructuras y experto en Refuerzo Estructural.

INTRODUCCIÓN AL NUEVO SOFTWARE «MAPEI STRUTURAL DESIGN»

Tras un trabajo de más de cuatro años, el nuevo software de cálculo de refuerzos MAPEI STRUCTURAL DESIGN ya está disponible. Desarrollado por EUCENTRE (Centro Europeo de Formación e Investigación en Ingeniería Sísmica) en lenguaje JAVA, se implementó sobre la base de software anterior desarrollado y distribuido gratuitamente durante más de 15 años por MAPEI S.p.A. y previamente desarrollado principalmente por la Universidad Federico II de Nápoles.

La aplicación es única en el mercado, ha sido desarrollada con una interfaz de usuario para la generación, análisis y comprobación de sistemas de refuerzo estructural, con la posibilidad de que el usuario interactúe directamente desde la interfaz con diferentes sistemas de refuerzo y obtenga un informe de cálculo final.

El software es libre y está disponible en la página: https://structuraldesign.mapei.com/ a la que se accede previo registro en la página web: www.mapei.com/es

El software es muy completo y permite el cálculo de refuerzos de multitud de elementos (Figura 1):

• – Elementos de hormigón: vigas, pilares, losas, forjados de viguetas y forjados reticulares, así como nudos viga-pilar.
• – Obras de fábrica: pilastras y muros frente a acciones en su plano o fuera de su plano y frente a vuelco.
• – Vigas de madera: refuerzo a flexión con materiales compuestos o creación de forjados mixtos de madera-hormigón.
• – Forjados mixtos de vigas de acero-hormigón.
• – Seguridad de particiones y techos frente a acciones sísmicas, caídas o vuelcos.

Figura 1. Módulos del software.

Los sistemas de refuerzo que se pueden utilizar son:

– Sistemas con tecnología FRP (Fiber Reinforced Polymers) (Figura 2)

– Sistemas con tecnología HPC o FRC (High Perfomance Cementitius Concrete o Fiber Reinforced Concrete) (Figura 3)

– Sistemas con tecnología FRCM (Fiber Reinforced Cementitius Matrix) (Figura 4)

– Sistemas con tecnología CRM (Composite Reinforced Mortar) (Figura 5)

– Sistemas de la línea EQ SYSTEM

Figura 2. Sistemas con tecnología FRC

Figura 3. Sistemas con tecnología HPC o FRC

Figura 4. Sistemas con tecnología FRCM

El software de cálculo es una «Aplicación Web» o una aplicación que reside en un Servidor Web al que se accede a través de un navegador de Internet u otro programa con funciones de navegación que operan de acuerdo con los estándares de la World Wide Web, por lo que no es necesario instalar ningún software.

Los requisitos del sistema consisten en un PC, tableta o teléfono inteligente que admita uno de los siguientes navegadores: Google Chrome, Firefox, Safari o Microsoft Edge. No es necesario tener una alta potencia de cálculo, ya que el procesamiento se lleva a cabo en los servidores que dispone Mapei.

NORMATIVA DE DISEÑO

El software de cálculo permite el uso de diferentes normativas para realizar el diseño.

Normativa de construcción:

– D.M. Infraestructura y Transporte 17/01/2018 “Nuevas normas técnicas para la construcción” (NTC 2018).

– Circ. Min. Infraestructuras y Trasportes n.7 del 21/01/2019. Instrucciones para la aplicación de la «actualización de las «Normas técnicas para la construcción» D.M. 17 de enero 2018.

– Eurocode 2: Diseño de estructuras de hormigón.

– Código Modelo FIB para Estructuras de Hormigón 2010 (para intervenciones de refuerzo con sistemas HPC)

Sistemas FRP, polímeros reforzados con fibras:

– CNR DT 200 R1 2013 – «Instrucciones para el diseño, ejecución y control de intervenciones de consolidación estática mediante el uso de compuestos reforzados con fibra, FRP».

– Fib Bulletin 90 «Refuerzo de FRP aplicado externamente para estructuras de hormigón».

– ACI 440, Guía para el diseño y construcción de sistemas FRP unidos externamente para el refuerzo del hormigón.

– CSA – S806-12 – Diseño y construcción de estructuras de edificios con polímeros reforzados con fibra.

Sistemas FRC, hormigones reforzados con fibras:

– CNR DT 204 – Instrucciones para el Diseño, Ejecución y Control de Estructuras Reforzadas con hormigón con Fibras (FRC o HPC).

– Código Estructural, Anejo 7. Recomendaciones para la utilización de hormigón con fibras.

Sistemas FRCM, morteros de matriz inorgánica reforzados con fibras:

– CNR DT 215 – Instrucciones para el Diseño, Ejecución y Control de Intervenciones de Consolidación Estática mediante el uso de Compuestos Reforzados con Fibra con Matriz Inorgánica FRCM

FUNCIONAMIENTO DEL SOFTWARE «MAPEI STRUTURAL DESIGN»

Independientemente del tipo de elemento estructural que se considere, el flujo de cálculo se resume a continuación:

– Sección existente:

• Geometría de la sección.

• – Propiedades mecánicas de los materiales.

• – Prestaciones de la sección existentes.

– Refuerzo:

• Selección de la tipología de refuerzo.

• Configuración del refuerzo.

• Geometría del refuerzo

– Resultado:

• Informe técnico

• Gráficos de salida

El algoritmo computacional del software, relacionado con las secciones de hormigón armado, se basa en un complejo enfoque numérico que permite operar con secciones desde geometrías simples hasta las más complejas, permitiendo la inserción de armaduras de acero pasivo o pretensadas y calculando la contribución, en términos de resistencia, de materiales compuestos (FRP) y morteros reforzados con fibra (HPC).

En el caso de pilares de hormigón armado sujetos a compresión y flexión biaxial, el algoritmo de cálculo propuesto permite la determinación de diagramas de deformación pre y post refuerzo, así como visualizar los dominios de interacción tridimensional en el espacio N-Mx-My.

Este resultado es posible gracias a una discretización de las secciones en elementos finitos rectangulares que permite determinar, mediante una integración numérica, el campo de las tensiones de los materiales. Los procedimientos de cálculo inherentes al diseño/comprobación de secciones sujetas a tensiones de flexo-compresión esviada son iterativos y requieren una integración en sintonía con las tensiones que actúan sobre la Sección.

La Sección se divide en elementos finitos de pequeño tamaño y cada elemento se asocia a un valor medio de deformación y tensión. La integración numérica se desarrolla entonces teniendo en cuenta el valor de la tensión baricéntrica y la deformación del elemento. Se supone que la deformación en las armaduras internas es igual al valor baricéntrico (ya que no hay necesidad de considerar elementos finitos como en el caso del Hormigón/Concreto ya que se supone que el diámetro de las armaduras es insignificante en comparación con las dimensiones medias de la Sección de hormigón). Se hace un razonamiento similar para el refuerzo externo con FRP y HPC. Los laminados se consideran como líneas externas al perímetro de la Sección de Hormigón/Concreto de espesor insignificante en comparación con las dimensiones de la Sección. La deformación se asume entonces uniforme en cada elemento individual en el que se divide el laminado e igual al valor baricéntrico.

Los supuestos en los que se basa el método de cálculo utilizado en el software son los siguientes:

– Conservación de secciones planas (hipótesis clásica en el cálculo de secciones de hormigón, conocida como la ley de Bernoulli-Navier);

– Las leyes constitutivas no lineales de los materiales presentes se conocen a priori;

– Las tensiones solo dependen de la deformación del elemento para no tener en cuenta los efectos de la fluencia y la retracción con el tiempo;

– Supone una adherencia perfecta entre hormigón y acero (o FRP) de las armaduras presentes;

– Se supone que la aplicación de la carga y la consiguiente deformación tienen lugar de forma monótona; esto no considera explícitamente el comportamiento bajo carga cíclica.

En el caso de secciones sujetas a flexo-compresión esviada, el software es capaz de resolver dos ecuaciones no lineales, con el fin de garantizar el equilibrio y la dirección del plano de tensión.

MÓDULOS DEL SOFTWARE «MAPEI STRUTURAL DESIGN»

El nuevo software «MAPEI STRUTURAL DESIGN» está dividido en 4 módulos independientes:

– Estructuras de hormigón

– Estructuras de obra de fábrica

– Estructuras de madera y acero

– Elementos secundarios

Estructuras de hormigón

Dentro de la aplicación es posible realizar intervenciones de refuerzo estructural sobre elementos de hormigón armado, vigas, pilares, forjados y nudos viga-pilar, utilizando sistemas de refuerzo con materiales compuestos (FRP) u hormigones reforzados con fibras estructurales (HPC).

Vigas

El dimensionamiento de vigas permite tres tipos de secciones, rectangular, T y doble T, que abarcan la mayoría de los casos, permitiendo la introducción de armadura pasiva y activa en cada sección.

Los refuerzos que se pueden hacer son:

– Sistema FRP (Fiber Reinforced Polymers): constituido por una amplia gama de materiales compuestos formados por una matriz polimérica de naturaleza orgánica (resina epoxi) con la que se impregna una fibra larga y continua de elevadas propiedades mecánicas. En el caso en el que se seleccione un refuerzo con un sistema FRP, es posible escoger entre 3 tipologías de refuerzo: Refuerzo solo a flexión o cortante y refuerzo a flexión y cortante.

– Morteros de la línea HPC (FRC), morteros de cemento reforzados con fibras estructurales de acero repartidas homogéneamente dentro de una matriz de cemento con muy altas propiedades mecánicas. En el caso en el que fuera seleccionado un refuerzo con un sistema HPC, es posible dimensionar el espesor del refuerzo tanto inferior como sobre los laterales. Además, es posible, en virtud del espesor de recrecido elegido, prever la inserción de barras auxiliares de armadura para flexión.

Pilares

El software permite el cálculo de pilares rectangulares y circulares macizos o huecos. Las tipologías de refuerzo, al igual que con las vigas, pueden ser con materiales compuestos (FRP) y morteros reforzados con fibras HPC (FRC).

Con sistemas FRP se pueden realizar refuerzos a compresión por confinamiento, refuerzos a cortante y refuerzos a flexo-compresión. Con los sistemas FRC se pueden hacer refuerzos a flexo-compresión y cortante.

Tras la realización del cálculo, el programa facilita los Diagramas de Interacción Axil-Momento en dos y tres dimensiones, dónde se muestran de forma gráfica los resultados obtenidos.

Figura 6. Refuerzo de losa con láminas FRP

Forjados

El software permite el dimensionamiento de refuerzo de forjados, losas, reticulares y forjados unidireccionales, mediante empleo de materiales compuestos (FRP) o capas de compresión con morteros HPC (FRC).

Nudos viga-pilar

El último apartado del módulo de cálculo de elementos de hormigón permite el diseño de refuerzos de nudos de estructuras viga-pilar, perimetrales y de esquina, con tejidos FRP.

Obra de fábrica

En este módulo se realiza el diseño de refuerzos de obra de fábrica para incrementar su resistencia. Es posible el refuerzo de columnas mediante confinamiento con sistemas de morteros inorgánicos y mallas estructurales (FRCM), refuerzo de muros frente a vuelco mediante vendaje exterior con bandas de materiales compuestos (FRP) y el refuerzo de muros en su plano o fuera de su plano con tecnologías FRCM.

Lo prioritario, para poder aplicar estas técnicas, es el conocimiento exhaustivo y caracterización de la obra de fábrica, obteniendo sus valores paramétricos de ensayos y pruebas in situ o en Laboratorio. Una vez establecidas sus características, se pueden mejorar mediante los sistemas de refuerzo para llegar a cubrir las solicitaciones a las que estarán sometidos.

El cálculo se realiza con las normas de diseño CNR-DT 200 y CNR-DT 215.

Estructuras de madera

El módulo de estructuras de madera permite el cálculo de refuerzos de vigas de madera con materiales compuestos FRP y la creación de forjados mixtos madera-hormigón con capas de compresión HPC.

El cálculo del refuerzo de vigas con materiales compuestos FRP se realiza en base a la norma de diseño CNR DT 201.

El cálculo de la sección mixta madera-hormigón HPC se realiza creando una nueva sección mixta conectada entre las vigas de madera y la nueva losa de mortero HPC. El software calcula la resistencia de la nueva sección y permite el diseño de la conexión.

Forjados de vigas de acero

Al igual que en el caso de forjados de vigas de madera, el software permite el diseño de una nueva sección mixta acero-hormigón HPC conectada para que ambas funciones solidariamente.

Introduciendo las características del perfil de acero, las longitudes, las cargas solicitantes y el espesor de la nueva losa con mortero HPC, el software calcula la resistencia de la nueva sección mixta según el grado de conexión elegido, comprobando los conectores y las tensiones de los tirantes de la losa para asegurar el trabajo conjunto.

Diseño de refuerzos preventivos en elementos secundarios: Particiones y Techos

El software dispone de un módulo de diseño de refuerzos para evitar el desprendimiento de techos y el vuelvo de muros en situaciones accidentales de sismo, mediante sistemas de mallas y morteros FRCM o mallas y adhesivos (EQ System).

INFORMES

Tras realizar el cálculo, el nuevo software «MAPEI STRUTURAL DESIGN» permite la edición de un informe completo en Word, que el usuario puede editar y ver los valores introducidos, el proceso de cálculo y el resultado final con el sistema seleccionado.