Universidad de Chile Facultad de Arquitectura y Urbanismo Departamento de Ciencias de la Construcción Curso: Construcción Av. IIl Prof. Walter Brehme Hidalgo

TECNOLOGIA DEL HORMIGON NELSON IGNACIO GUZMAN ZARATE 02/04/2013

TECNOLOGIA DEL HORMIGON

REFUERZOS CON FIBRA DE CARBONO

Refuerzos con fibra de carbono. Por Nelson Guzmán

Índice: 0. Introducción 1. Fibra de Carbono 2. Historia de la fibra de Carbono 3. Composición de la fibra de carbono 4. Fabricación 5. Ventajas y Desventajas de la fibra de carbono 6. Aplicación de la Fibra de Carbono 7. Lugares de Refuerzo con fibra de Carbono 8. Instalación de los refuerzos de fibra de

Carbono 9. Fuerzas presentes en los refuerzos de fibra

de Carbono 10. Ejemplos 11. Conclusión 12. Bibliografía

Universidad de Chile Facultad de Arquitectura y Urbanismo Departamento de Construccion Curso: Construccion Av. III Prof: Prof. WALTER BREHME

Demanda de Fibra de Carbono por año.

0. Introducción. Uno de los principales materiales utilizados para el desarrollo de una obra arquitectónica es el hormigón debido a su versatilidad, fácil producción y puesta en obra. A lo largo de la historia después de la invención del hormigón armado las nuevas tecnologías han permitido nuevas formas lograr mayor rigidez en construcciones de hormigón. Ya que aun siendo uno de los materiales más resistentes carece presenta algunos defectos en cuanto a su durabilidad, y como la resistencia mecánica del elemento estructural Las fibras de Carbono aumentan la tenacidad y el comportamiento mecánico del hormigón y se utilizan en pavimentos, Edificios de grandes alturas fábricas, etc. Pero lo importante es que como arquitectos nos demos cuenta de la enorme ventaja y proyección a futuro que representa la fibra de carbono todo esto para poder ampliar las posibilidades en el campo de la arquitectura.

- Composición física de la fibra de carbono

1. Fibra de Carbono La fibra de carbono es una fibra sintética constituida por finos filamentos de unos 0.005x0.010mm de diámetro compuesto en casi su totalidad por fibras de carbono. Estos entrelazados entre si forman cristales microscópicos alineados al eje de la fibra Miles de fibras de carbono son trenzadas para formar hilos de gran resistencia por sus propiedades cristalinas Su estructura atómica corresponde a láminas de átomos de carbono ordenado en patrones hexagonales de acuerdo a la química del carbono y esta misma es su variación de conexión con otros carbonos a lo largo de la fibra. La fibra de carbono es un material amorfo dada sus diversas relaciones entre sus compuestos. Las láminas de átomos de carbono se colocan al azar, apretadas o juntas, por esto mismo se da su alta resistencia. La densidad de la fibra de carbono es de 1759Kg/m3 la del acero es 7850Kg/m3 la del hormigón 3200Kg/m3 y la madera 0,7Kg/m3 Por lo que podemos concluir que la densidad es baja y si a esto le incluimos la baja cantidad de material que se utiliza para la malla de fibra podemos decir que es el material que ocupa menos espacio de todos. La fibra de Carbono tiene propiedades mecánicas superiores al acero, es muy liviana, y por su dureza tiene más resistencia al impacto. Su principal aplicación es la fabricación de “composites” o materiales compuestos, donde en la mayoría de los casos se hace con polímeros termoestables que a la vez la mayoría de las veces es resina epoxi. Es conductor eléctrico y de baja conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de

carbono se hace más grueso y corto. El uso más habitual es en refuerzos a flexión, y aunque existen todavía algunos aspectos en estudio, existe un procedimiento de dimensionamiento bien establecido y comúnmente aceptado. No ocurre lo mismo con los refuerzos a cortante, donde los modelos propuestos han sido diferentes y controvertidos, y aún no existen reglas de proyecto uniforme o son tratadas de forma muy somera en las recomendaciones de diseño editadas hasta la fecha. Las investigaciones sobre el tema se iniciaron en la década de los 90 pero han sido mucho más limitadas que en el caso de refuerzo a flexión. Dichas investigaciones, así como multitud de aplicaciones en todo el mundo, han probado que el refuerzo con Fibra de Carbono es una técnica eficaz para incrementar la capacidad última frente a esfuerzos cortantes, pero también han puesto de manifiesto la necesidad de seguir investigando para avanzar en el conocimiento experimental y teórico del refuerzo a cortante y llegar a establecer procedimientos de diseño adecuados que aprovechen y optimicen las excelentes propiedades del material.

2. Historia de la fibra de Carbono En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono en el Centro Técnico de la Union Carbide Parma. Estas fibras se fabricaban mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Este proceso resultó ser ineficiente, ya que las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono y tenían malas propiedades de fuerza y de rigidez El alto potencial de la fibra de carbono fue aprovechado en 1963 en un proceso desarrollado en el Reino Unido. Estas empresas fueron capaces de establecer instalaciones de producción industrial de fibra de carbono Durante la década de 1970, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de una brea de petróleo derivadas de la transformación del petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión. Actualmente aún se experimenta con fibra de carbono en barias empresas en el mundo y en el ámbito de la construcción cada vez hay más demanda por el carbono.

Proceso de unión de moléculas

de carbono y nitrógeno para formar el PAN (polímero inicial de la fibra

de carbono)

3. Composición de la Fibra de Carbono La fibra de carbono es un polímero de una cierta forma de grafito. El grafito es una forma de carbono puro. En el grafito los átomos de carbono están dispuestos en grandes láminas de anillos hexagonales La fibra de carbono se fabrica a partir de otro polímero, llamado poliacrilonitrilo, a través de un complicado proceso de calentamiento. Cuando se calienta el poliacrilonitrilo, el calor hace que las unidades repetitivas formen anillos. Al aumentamos el calor, los átomos de carbono se deshacen de sus hidrógenos y los anillos se vuelven aromáticos. Este polímero constituye una serie de anillos piridínicos fusionados. Luego se incrementa la temperatura a unos 400-600°C. De este modo, las cadenas adyacentes se unen. Este calentamiento libera hidrógeno y da un polímero de anillos fusionados en forma de cinta. Incrementando aún más la temperatura de 600 hasta 1300ºC, nuevas cintas se unirán para formar cintas más anchas. De este modo se libera nitrógeno. Como se puede observar, el polímero que es obtenido tiene átomos de nitrógeno en los extremos, por lo que, estas cintas pueden unirse para formar cintas aún más anchas. A medida que ocurre esto, se libera más nitrógeno. Terminado el proceso, las cintas son extremadamente anchas y la mayor parte del nitrógeno se liberó, quedando una estructura que es casi carbono puro en su forma de grafito. En la fibra de carbono las láminas de átomos de carbono se apilan al azar o en forma irregular. Por esta razón tienden a tener alta resistencia a la tracción.

Proceso de Fabricación de las láminas de Fibra de Carbono

Compuesto Final

4. Fabricación Un método común de la fabricación consiste en calentar los filamentos PAN (polímero inicial del carbono) en con aire a aproximadamente 300°C, que rompe muchos de los enlaces de hidrógeno y oxida la materia. El PAN oxidado se coloca en un horno que tiene una atmósfera inerte de un gas como el argón, y se calienta a aproximadamente 2000°C, lo que induce a la grafitización del material, cambiando la los enlaces de la estructura molecular. Cuando se calienta en las condiciones adecuadas, estas cadenas se unen una al lado de la otra, formando estrechas láminas de grafeno que con el tiempo se unen para formar un solo filamento cilíndrico. El resultado es generalmente 93-95% de carbono. Una baja calidad de fibra se pueden fabricar con brea de mesofase o rayón como precursor en lugar de PAN. Al material obtenido se le pueden variar algunas de sus propiedades, confiriéndoles alto módulo, o alta resistencia, mediante procesos de tratamiento térmico. El material que ha sido calentado de 1500 a 2000ºC (carbonización) exhibe la mayor resistencia a la tracción Luego los hilos resultantes se mezclan con una resina en un matriz para conformar y polimerizar la mezcla a temperaturas muy altas que luego se derivan a maquinas que fraccionan el material para luego obtener el producto acabado.

5. Ventajas y Desventajas de la fibra de carbono Las ventajas de la fibra de carbono son: -Elevada resistencia mecánica, con unmódulo de elasticidad elevado. -Baja densidad, en comparación con otros elementos como por ejemplo el acero. -Resistencia a agentes externos. -Gran capacidad de aislamiento térmico. -Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su forma, sólo si se utiliza matriz termoestable. -No es invasivo por sus dimensiones pequeñas -Son materiales ultra ligeros -Conllevan un menor tiempo de instalación = menor costo -Permite el uso de las estructuras inmediatamente después de la aplicación -Evita los costos por demoliciones y reconstrucción comparados con otras soluciones alternativas.

Las principales desventajas de la fibra de carbono y a la vez la misma razón por la cual se usa con más frecuencia en casos de refuerzos y reparación: - Es un polímero sintético que requiere un caro y largo proceso de producción. Este proceso se realiza a alta temperatura -entre 1100 y 2500 °C- en atmósfera de hidrógeno durante semanas o incluso meses dependiendo de la calidad que se desee obtener ya que pueden realizarse procesos para mejorar algunas de sus características una vez se ha obtenido la fibra. -El uso de materiales termoestables dificulta el proceso de creación de la pieza final ya que se requiere de complejos instrumentos para darle forma.

6. Aplicación de la fibra de carbono

La fibra de carbono en construcción se emplea de modo similar al de las barras de acero de la estructura; esto es, complementando las barras longitudinales de acero en las zonas traccionadas, o los estribo de corte, siempre teniendo en cuenta que la capacidad de refuerzo de carbono es unidireccional en el sentido de las fibras, dependiendo del tipo de fibra de que se está usando, comúnmente se utilizan tejidos de fibra de carbono conocidos como Wrap cuya disposición es unidireccional pero existen configuraciones de tipo bidireccional

Es conviene tener en cuenta el hecho de que los laminados de fibra de carbono presentan unas altas características mecánicas muy superiores a las del hormigón y el acero, por lo que en la mayoría de los casos el éxito de reforzamiento viene determinado más por el estado y preparación del elemento de soporte que por el propio carbono.

Existen 3 tipos de casos.

1. Reparación (cambios de uso o destino, modificaciones normales, aumento en la carga)

2. Rehabilitación (construcción deficiente, siniestro, sismo o accidente, vandalismo)

3. Reforzamiento (recuperación, elementos degradados, modificación)

Refuerzo de fibra de carbono en viga de H.A.

Refuerzo de fibra de carbono en pilar de H.A.

7. Lugares de refuerzo con fibra de carbono.

7.1 Refuerzos con fibra de carbono en vigas

En vigas de hormigón se puede incrementar las cargas admisibles incorporando un refuerzo estructural con fibra de carbono. Para estos casos el uso del refuerzo estructural con fibra de carbono permite:

-Incrementar la resistencia a los esfuerzos de flexión. -Incrementar la resistencia a los esfuerzos de corte. -Recuperar resistencia de diseño por omisión de armadura. -Incrementar la rigidez de la viga produciendo menor -

deformación bajo cargas vivas.

7.2 Refuerzos con fibra de carbono en pilares.

Este refuerzo permite dotar al elemento de mayor rigidez y capacidad, mediante el confinamiento aumentando su resistencia y ductilidad. Al confinar pilares podemos decir que se logra incrementar la resistencia a la compresión axial de estos elementos. Básicamente, el confinamiento restringe la fisuración por compresión y cortante, aumentando así la ductilidad del elemento estructural durante la rotura

Refuerzo de fibra de carbono en losa de H.A.

Refuerzo de fibra de carbono en muro de H.A.

7.3 Refuerzos con fibra de carbono en losas En el caso de las losas es muy eficaz debido a que la capacidad del momento de la losa o cubierta es consecuencia de la resultante de la resistencia a la flexión y compresión. En la mayoría de los casos la losa tiene muy buena resistencia a la compresión pero suele fallar en la tracción. Aumenta la resistencia y la rigidez

7.4 Refuerzos con fibra de carbono en muros

La fibra de carbono se utiliza en refuerzos que se derivan de cargas excesivas en plano o fuera de plano y la presión debida a impactos. Así puede utilizarse en los muros con esfuerzo cortante. Y en los casos de muros de hormigón se disponen vertical y horizontalmente siguiendo los lineamientos de resistencia entregados por la enfierradura interior existente del muro de hormigón. Incrementan el refuerzo sísmico, la ductilidad del muro y el comportamiento general

Sección de capas utilizadas en la instalación

de la fibra de carbono

8. Instalación de los Refuerzos de fibra de carbono Primero que nada se debe tener en cuenta que es necesaria una inspección de la Estructura, un análisis acabado de la estructura existente, para determinar las causas del reforzamiento y las fuerzas de acción presentes. Todo esto antes de ejecutar el proyecto de reforzamiento. Como regla general, una vez saneado y preparado el soporte ya podremos aplicar un sistema de refuerzo. Este se compone por las siguientes etapas: 1. Resina de Imprimación. Se suele aplicar una capa de resina a fin de endurecer la superficie de hormigón y crear una buena adherencia. 2. Resinas de pegado del compuesto de fibra (refuerzo) al soporte.

a. Pegado de composites: Se utilizan adhesivos en forma de pasta epoxi. Se aplican sobre el laminado y la superficie tratada. Una vez pegado, se presionan con la ayuda de un rodillo de goma maciza para asegurar un espesor mínimo de adhesivo y el rebose de la pasta para evitar oquedades.

b. Pegado de hojas de fibra: Se emplean resinas epoxi muy fluidas que penetran entre los hilos de fibra y aseguran una buena impregnación. La aplicación se realiza con rodillos especiales para evitar la formación de bolsas de aire y la rotura de las fibras.

Hombre instalando fibra de carbono

3. Acabados

a. Espolvoreo de arena de sílice: Cuando el refuerzo está completamente aplicado y la resina aun fresca, se espolvorea con arena de sílice para obtener un acabado rugoso. Con esta medida permitimos cubrir el refuerzo con un revestimiento (yeso, pintura,…)

b. Protección a los rayos UV. Si el refuerzo está expuesto a los rayos UV, se debe proteger la resina epoxi ya que es susceptible de degradación. La protección que se aplica es mediante un revestimiento en base de poliuretano.

La puesta en carga del refuerzo se debe realizar pasados 7 días, a fin de que las resinas hayan reticulado (endurecido) correctamente.

Vista en sección de la viga

con refuerzo por flexión

Vista en sección de la viga

con refuerzo por cortnte

Vista en sección del pilar

con refuerzo por confinamiento

9. Fuerzas Presentes en los refuerzos con fibra de carbono 9.1. Refuerzos a Flexión Esto sucede cuando el momento flector del elemento (vigas o losas) supera la tracción inferior del elemento. Pasa esto es necesario incrementar la capacidad de flexión de los elementos que en la mayoría de los casos están bajo las vigas o losas.

9.2 Refuerzos a Cortante Permite colocar estribos de corte por el lado exterior para soportar cualquier nivel de solicitación dándole una mejor unidad a la vida en cuanto a su trabajo por flexión para que este se reparta de mejor manera

9.3 Refuerzos a Confinamiento Permite incrementar la resistencia a compresión y al corte sísmico al mismo tiempo impidiendo que la fuerza tangente a algún punto exterior del pilar provocada por la misma carga del pilar lo deforme o lo destruya.

Refuerzo de losa en la terminal del

aeropuerto de Barcelona (Barcelona)

Refuerzo de pilar en gimnacio

Nueva Imperial (Chile)

10. Ejemplos Existen numerosos casos de refuerzo con fibra de carbono ya utilizados en el mundo entero. En Barcelona por ejemplo esta:

1. La terminal sur del aeropuerto de Barcelona . En el Edificio Procesador con refuerzos en losas por aumento de sobrecargas no planeadas en el proyecto. Ya sea por un montacargas o por un apoyo de rampas mecánicas.

2. El edificio de Aparcamientos en Arenys de mar con refuerzos Estructurales de 6 pilares en el nivel de estacionamiento -4

3. El edificio de Oficinas Inmocaralt en Sant Joan Despi Con refuerzos por punzonamiento de pilares en losas

En Chile por otro lado tenemos

1. El Mall Plaza Alameda con refuerzos de losas de apoyo por tensión admisible superada en los estacionamiento.

2. El gimnasio Nueva Imperial con refuerzos de Pilares por fisuras específicas. Y refuerzos verticales de pilares por exceso de tracción de sobrecarga de techumbre

3. El puente el Durazno con Refuerzos de losas de apoyo por superar la tensión admisible

11. Conclusión La fibra de carbono es uno de los mejores compuestos para poder reforzar estructuras complejamente difíciles de reparar y este método si bien incide en la visión que se tiene sobre un proyecto puede ser la mejor opción para estructurar edificios. Ya que no provoca un gran cambio en el proyecto existente y dota incluso el triple de esfuerzos de tensión comparado con el acero. A medida que transcurren los años es mucho más rentable comenzar a producir estas nuevas tecnologías lo que queda demostrada con el aumento exponencial de la demanda de la fibra de carbono en las grandes empresas. Y lo que lo hace mucho más apto para poder hablar con el de un “futuro de la construcción”

12. Bibliografía Tesis. Nuevas tecnologías de reforzamiento del hormigón. Daniela Díaz Andrés Hernández Investigación. Polímeros reforzados con fibras. Javiera Balut, Sarah Devetak, Daniela Hernández, Camilo López Investigación. Refuerzos con “Polímeros reforzados con fibra”. Pamela Espinoza, Ivan Maureira, Christian Soria Investigación. Fibra de Carbono. Presente y futuro de un material revolucionario. Carolina Llano Uribe Investigación. Elementa Soluciones Integrales en refuerzo reparación y rehabilitación Estructural. Elementa http://www.carbon-fiber.com/ http://espanol.answers.yahoo.com/question/ http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/ http://www.applesfera.com/ http://www.elese.cl/aplicaciones-especificas/