SISTEMA PRETENSADO DE LAMINADOS DE FIBRA DE CARBONO S&P

IVÁN CARRACEDO

Iván Carracedo Cabadas es un experimentado profesional en el campo de la reparación y refuerzo de estructuras con materiales químicos de la construcción. Es ingeniero de caminos desde el año 2009, con un posgrado MBA en el año 2015, habiendo ejercido en diferentes posiciones y empresas líderes de su sector, y liderando el negocio en España del Grupo S&P Reinforcement (perteneciente al Grupo Simpson Strongtie) desde el año 2016.
Ha participado en numerosos proyectos relacionados con refuerzos de estructuras mediante el uso de materiales compuestos, tanto en obra civil como edificación, trabajando codo con codo con las ingenierías y estudios de arquitectura responsables del diseño.

Desde S&P Reinforcement, nos dedicamos a la fabricación de sistemas de refuerzos de estructuras con materiales compuestos desde el año 1995. Dentro de nuestro sistema FRP, disponemos de un sistema de laminados de carbono pretensados, que lo llevamos aplicando desde hace más de 20 años en todo el continente europeo.

INTRODUCCIÓN

El pretensado con laminados de carbono S&P C-Laminate tiene una influencia muy positiva en el comportamiento de una estructura reforzada de hormigón armado. Combina las ventajas del refuerzo con los laminados convencionales S&P C-Laminate EBR (pegados externamente) y los pretensados convencionales.

El sistema consiste en aplicar en el laminado una fuerza de tesado mediante un gato hidráulico, de forma que se aplicarán esfuerzos de compresión en la zona de tracción de la sección transversal del elemento de hormigón armado, reduciendo los esfuerzos de tracción en las armaduras de acero bajo cargas en servicio, y reduciendo la deflexión y formación de grietas (fig. 1).

Figura 1. Principio del pretensado

Ventajas

Las ventajas de este sistema de refuerzo son las siguientes:

• Mejor aprovechamiento de la resistencia a tracción del laminado, al poder diseñarse con deformaciones de al menos un 1%, lo que aumenta la capacidad de carga última
• Alivio de las tensiones dentro del refuerzo de acero interno
• Reducción de anchos de fisura y retraso en el inicio del agrietamiento
• El refuerzo también es efectivo para cargas fijas y permanentes
• Mayor resistencia a la fatiga
• Retraso en la fluencia de los refuerzos internos de acero
• Reducción del fallo prematuro por despegue
• Uso más eficiente de hormigón y FRP: Óptima relación coste/rendimiento
• Sistema que no corroe, a diferencia del pretensado en acero

En definitiva, se consigue un aumento importante de la durabilidad de la estructura.

Ensayos

Entre los numerosos ensayos que se han ejecutado de este sistema, la escuela de ciencias aplicadas HES-SO de Friburgo (Suiza) ensayó losas de hormigón con laminados externamente pegados S&P C-Laminate EBR, así como losas de hormigón reforzadas con laminados S&P C-Laminate pretensados. Las figuras 2 y 3 muestran la sección transversal de la losa con la colocación de los laminados de refuerzo y la representación de los ensayos (tabla 1).

Tabla 1. Representación gráfica del test

Resultados

Las losas reforzadas con laminados pretensados mostraron un índice de deflexión muy reducido y una menor anchura de las grietas tras los ensayos. Como resultado de la fuerza normal superpuesta, las secciones transversales de hormigón permanecieron en un estado sin fisuras mucho más allá de la carga máxima.
La rotura sólo se produjo con cargas muy incrementadas y deflexiones más elevadas. El aumento de la resistencia a la rotura fue del 32% para las losas reforzadas con laminados normales. En el caso de los laminados pretensados, el aumento fue del 82% (al 0,4%) y del 113% (al 0,6%) (tabla 2).

Figura 2. Sección transversal de la losa

Figura 3. Disposición del ensayo

Tabla 2. Resultado de los ensayos

Bases de cálculo

Bases de cálculo

El diseño de los laminados pretensados debe ser realizado por un ingeniero de estructuras formado en esta técnica o por el equipo de ingenieros de S&P. El enfoque ingenieril de este tipo de procedimientos es particular, y debe prestarse la máxima atención al dimensionamiento y, sobre todo, al diseño del propio refuerzo. S&P dispone de una herramienta de cálculo llamada LAMELLA.

Hipótesis

Los cálculos se realizan de acuerdo con el Eurocódigo 2 o Código Estructural, aplicando las reglas mecánicas conocidas para el diseño clásico del hormigón armado:

• Para el cálculo a flexión, se supone que las secciones rectas permanecen planas después de la deformación (hipótesis de Bernoulli).
• No se tiene en cuenta la contribución de la resistencia a la tracción del hormigón. Todas las fuerzas de tracción necesarias para el equilibrio interno son absorbidas por la armadura interna y el refuerzo FRP.
• Para los elementos pretensados, puede tenerse en cuenta la resistencia a la tracción del hormigón.
• Se supone que la armadura de acero existente y el refuerzo FRP colaboran perfectamente dentro de los límites de alargamiento.
• Se supone una conexión totalmente rígida. Todos los elementos de la sección, a excepción de los cables de pretensado no inyectados, que se encuentran en fibras situadas a igual distancia de la fibra neutra, experimentan el mismo alargamiento.

La sección transversal FRP requerida y el momento flector admisible antes y después del refuerzo se determinan mediante el cálculo iterativo del equilibrio de las fuerzas internas.

Características del material FRP

El material FRP tiene un comportamiento elástico lineal hasta la rotura. El módulo de elasticidad depende del sistema FRP elegido. Se garantizan los siguientes valores para los laminados pretensados del sistema S&P (fig. 4):

Figura 4. Diagrama tensión-deformación laminado

Fuerza de tesado de los laminados

Los laminados S&P tradicionales descritos anteriormente pueden tesarse antes de que el adhesivo haya curado hasta un alargamiento (εfp) de hasta el 0,6% utilizando un sistema especial de pretensado S&P. Esto permite introducir fuerzas de pretensado de hasta 143 kN por laminado de 100/1,4.
Las pruebas realizadas en elementos de construcción han demostrado que el sistema de pretensado es capaz de absorber las fuerzas que actúan sobre él y que el anclaje está garantizado incluso con alargamientos iniciales del 0,6%.

Principios de cálculo

En primer lugar, se determina la distribución de los alargamientos en el estado inicial. A continuación, para la sección reforzada, se debe iterar para encontrar un estado de alargamiento en el que las fuerzas internas y externas del elemento de hormigón armado o pretensado estén en equilibrio. En el cálculo, el estado de alargamiento debido al alargamiento inicial se superpone al estado de alargamiento debido a la carga adicional en el estado reforzado.

El alargamiento de los laminados S&P pretensados se compone del alargamiento inicial εfp debido al pretensado y del alargamiento adicional Δεf debido a las cargas. Para el alargamiento total, debe cumplirse la siguiente condición (fig. 5):

εf = εfp + Δεf ≤ εf,limit

Figura 5. Diagrama de las deformaciones a considerar

A diferencia de los laminados pasivos adheridos a la superficie, los laminados pretensados pueden utilizarse a una deformación mucho mayor, al ir anclados. Según el documento de diseño S&P “Enquete Technique Nouvelle Nº 30 712 014 003”, se introduce un factor de reducción kε para el alargamiento último de los laminados a fin de tener en cuenta la ductilidad reducida de las secciones reforzadas con FRP.

εf,limit = kε * εfu / γf siendo, γf = 1,2 y kε = 0,8

S&P C-Laminate SM εf,limit = 1,00 %

La adherencia del laminado pretensado sólo se verá afectada por el alargamiento adicional provocado por las cargas. Esto corresponde a la solicitación cuando se refuerza con laminados de adhesión pasiva. Para evitar la delaminación entre zonas de anclaje en extremos, el alargamiento adicional Δεf debe limitarse de la siguiente manera:

Δεf ≤ εf,limit

S&P C-Laminate SM Δεf,limit = 0,6 %

Estado límite último

En el estado límite último, los materiales deben respetar su deformación límite de diseño. Por regla general, el estado límite último viene determinado por el alargamiento límite del sistema FRP. Pero, si, por el contrario, la zona comprimida del hormigón está muy solicitada, el refuerzo FRP no suele ser aconsejable (fig.6).

Figura 6. Diagrama distribución deformaciones en ELU

Estado límite de servicio

En condiciones de servicio, la armadura interna no debe superar el límite elástico. Además, las tensiones en la condición de servicio tanto para el hormigón y los aceros, como para la sección FRP elegida se determinan y comparan con los límites dados por el Eurocódigo 2. Este sistema favorecerá en gran medida que este estado se cumpla.

Instalación

Para introducir la fuerza de pretensado de forma segura, los extremos del laminado se anclan en el elemento de hormigón mediante una chapa de acero encolada y fijada con pernos (fig. 10). De este modo se evita que el laminado se afloje o suelte, por lo que los laminados S&P del sistema de pretensado pueden utilizarse hasta altas deformaciones. La fuerza de tesado debe aplicarse durante la vida útil de la resina S&P Resin 220 HP, que seguirá siendo la encargada de transmitir la mayor parte de las cargas entre los distintos elementos.

Para aplicar la fuerza de pretensado de forma segura y eficaz, S&P dispone de un sistema de elementos de aluminio, que se representan en la figura 7.

Figura 7. Imagen de los elementos del sistema del extremo pretensado

Es importante tener en cuenta que se debe preparar el soporte antes de aplicar el laminado, esto es, se deben colocar las unidades de fijación y placas de anclaje, para que sea sencilla la aplicación del tesado en poco tiempo. Posteriormente se aplica la fuerza con una bomba hidráulica y se controla la elongación del laminado, de forma que se apliquen unos separadores para mantener la tensión hasta que la resina haya curado, como se puede apreciar en las figuras 8 y 9:

Figura 8. Aplicación de la fuerza mediante bomba hidráulica

Figura 9. Aplicación de separadores para fijar la elongación

Al final se retirará todo el sistema y quedarán exclusivamente las placas de anclaje., como se detalla en la figura 10:

Figura10. Imagen final del laminado pretensado

Ejemplo de obra

Todos los años se aplican numerosas obras con el sistema de pretensados S&P, ya sea edificación u obra civil.

En este caso que se detalla a continuación, se aplicaron laminados pretensados en un paso inferior en Lisboa (Portugal), en la autopista A12, justo a la salida del Puente Vasco da Gama dirección Sur (fig. 11).

Figura 11. Imagen del paso inferior en la A12

El motivo principal por el que se utilizó este sistema fue debido a la gran fisuración que tenía la losa y, sobre todo, a que las tensiones del acero estaban próximas a su límite en servicio.

La única forma de reforzar con un sistema FRP y que el acero trabajase en servicio por debajo de su límite, era aplicar un refuerzo activo, con el sistema de laminados pretensados S&P.

Con esto se consiguió incrementar en gran medida la capacidad a flexión de la estructura, y liberar al acero para que trabajase en régimen elástico bajo cargas de servicio.

Para ejecutar la solución se tuvo que hacer una reparación previa del soporte, donde se inyectaron y sellaron todas las fisuras, para que la transferencia de cargas sea homogénea, y no haya zonas con elevadas tensiones (fig. 12).

Figura 12. Inyección y sellado de fisuras (preparación del soporte)

También, el soporte en algunas zonas era bastante irregular, por lo que se tuvo que hacer una regularización previa, ya que para aplicar este sistema es importante que el soporte esté nivelado, de otra forma, al tesar el laminado se puede romper. Había alguna zona crítica donde se tuvo que repetir la ejecución por este motivo.

La longitud de aplicación era próxima a los 15 metros, y se aplicaron laminados tipo S&P C-Laminate SM de 100/1,4. Como se ha detallado anteriormente, la fuerza máxima de pretensado es de:

100 x 1.4 x 1000 N/mm2 = 140 kN (con 0.6 % de elongación)

Antes de pretensar el laminado, y como se ha detallado en el apartado anterior, se debe hacer un trabajo previo de colocación de los elementos del sistema, para que la aplicación se pueda hacer de manera sencilla en el tiempo de vida útil de la resina. En la figura 13 se puede ver la colocación de los elementos para la instalación del laminado.

Figura 13. Sistema preparado de pretensado para la colocación del laminado y su resina

A continuación, se colocan los laminados, que en este caso tenían 15 metros, y se pretensa en un extremo. Hay que marcar en el laminado una línea para comprobar la elongación que va experimentando según la fuerza que se le aplica, de forma que quede controlada la elongación calculada en proyecto, como se puede ver en la figura 14, en el inicio del pretensado.

Figura 14. Inicio del pretensado con la bomba hidráulica colocada

Una vez se haya tesado el laminado, y se coloquen los separadores, se puede retirar la bomba hidráulica, como se aprecia en la figura 15. De esta forma se puede usar la bomba para los demás laminados.

Figura 15. Fin del pretensado, donde se pude retirar la bomba hidráulica

En esta estructura se aplicaron más de 40 laminados pretensados, como se puede ver en la figura 17. Una vez pasadas 72 horas, se pueden quitar todos los elementos del sistema y quedará la chapa metálica, que se representa en la figura 16.

Figura 16. Acabado del pretensado con su chapa metálica en los extremos

Figura 17. Foto final de la estructura reforzada con más de 40 laminados pretensados S&P

En el siguiente enlace, situado en nuestra página web europea, se puede ver un breve video del pretensado de un laminado.

https://www.sp-reinforcement.eu/en-EU/pre-stressed-frp

Herramienta de cálculo S&P

Desde S&P disponemos de un software avanzado de cálculo llamado LAMELLA, donde se puede calcular la estructura para este tipo de refuerzos, a flexión y cortante, con especial atención al estado de servicio y al anclaje.

Desde nuestra página web se puede solicitar el software de cálculo, sólo rellenado los datos de empresa del solicitante, para su posterior envío (Fig. 18).

Figura 18. Software de cálculo LAMELLA