universidad de guayaquilrepositorio.ug.edu.ec/bitstream/redug/32390/1/vera_cÉsar...estudio y...
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i
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
TRABAJO DE TITULACIÓN
PREVIA LA OBTENCIÓN DEL TITULO DE:
INGENIERO CIVIL
NÚCLEO ESTRUCTURANTE:
ESTRUCTURALES
TEMA:
ESTUDIO Y ANALISIS DE REFORZAMIENTO DE UNA LOSA DE DOS
DIRECCIONES USANDO LA FIBRA DE CARBONO, UBICADO EN LA
CIUDAD DE BABAHOYO PROVINCIA DE LOS RIOS
AUTOR:
VERA ICAZA CESAR MARCELO
TUTOR:
ING DANIEL DOUGLAS ITURBURU SALVADOR, M. sc.
AÑO:
2017
GUAYAQUIL – ECUADOR
ii
“La práctica sin ciencia es como un barco sin timón.”
Leonardo DaVinci, 1452-1519
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AGRADECIMIENTO
Este pequeño esfuerzo tiene una dedicación especial a mis padres el Sr. Marcelo
Vera Ayala y la Sra. Eliana Icaza Villalva, por sus esfuerzos y apoyo para alcanzar
una meta más.
A mis compañeros y amigos que compartieron conmigo, y me dieron a lo largo de
esta etapa su apoyo y ayuda, más aún en los momentos difíciles.
A los docentes de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas que nos regalaron
sus conocimientos.
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DEDICATORIA
Dios: Mi Creador, que tuvo misericordia de este humilde servido
brindándome la salud y la sabiduría.
Mi Abuela: Mi inspiración total para lo que realizo en el día a día, quien
siempre confió en mí y sé que me cuida desde el cielo.
Mi Madre: Mujer luchadora, que supo guiarme y educarme con amor, y
supo confiar en mi desde un principio.
Mi Padre: Por su protección y apoyo en mis metas.
Mi Familia: Gracias a su aporte de una u otra manera que me da la fuerza
para superarme.
Mi Novia: Quien está ahí en las buenas y las malas, recordándome que hay
que luchar por las cosas que se quieren obtener en la vida.
Docentes: Quienes me han brindado su conocimiento, experiencias y me
inspiran para seguir sus pasos y ser un excelente profesional.
v
DECLARACIÓN DE AUTORÍA
Art.- XI de Reglamento Interno de Graduación de la Facultad de Ciencias
Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil.
La responsabilidad de los hechos, ideas y doctrinas expuestos en este trabajo de
Titulación corresponde exclusivamente al autor, y el patrimonio intelectual de la
Universidad de Guayaquil.
Vera Icaza Cesar Marcelo
CI: 120432926 - 0
vi
TRIBUNAL DE TITULACIÓN
Ing. Eduardo Santos Baquerizo, M. Sc. Ing. Daniel Douglas Iturburu, M. Sc.
DECANO TUTOR
Ing. Marcelo Moncayo Theurer, M. Sc.
TUTOR REVISOR
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viii
ix
INDICE
CAPITULO I: ............................................................................................................. 16
1. GENERALIDADES ............................................................................................ 16
1.1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................. 16
1.2. Objetivo General de la Investigación ....................................................... 17
1.2.1. Objetivos Específicos ............................................................................ 17
1.3. Área de Estudio ......................................................................................... 17
1.4. Planteamiento del problema ..................................................................... 18
1.4.1. Alcance ................................................................................................... 18
1.4.2. Condiciones ............................................................................................ 18
1.5. Delimitación del estudio ........................................................................... 18
1.6. Justificación .............................................................................................. 19
CAPITULO II: ............................................................................................................ 20
2. MARCO TEÓRICO ............................................................................................ 20
2.1. Estructura ..................................................................................................... 20
2.1.1. Losa ..................................................................................................... 20
2.1.2. Losas Nervadas. ................................................................................. 21
2.1.3. Losas macizas. .................................................................................... 21
2.2. La ingeniería estructural. .......................................................................... 21
2.3. Factores de seguridad ........................................................................ 22
2.4. Levantamiento de la información ...................................................... 22
2.4.1. Información de la estructura .............................................................. 22
2.4.2. Levantamiento arquitectónico ........................................................... 22
2.4.3. Levantamiento estructural ................................................................. 23
2.5. Cargas de diseño ................................................................................ 23
2.5.1. Carga muerta ....................................................................................... 23
x
2.5.2. Carga viva ............................................................................................ 23
2.5.3. Combinaciones de cargas ................................................................. 24
2.6. Tipos de fallas ..................................................................................... 24
2.6.1. Resistencia a la flexión ...................................................................... 24
2.6.2. Resistencia del corte .......................................................................... 25
2.7. Materiales ............................................................................................ 25
2.7.1. Concreto .............................................................................................. 26
2.7.2. Acero de refuerzo ............................................................................... 26
2.7.3. Materiales compuestos ...................................................................... 26
2.7.3.1. Concreto armado ............................................................................. 27
2.7.3.2. Fibras de carbono............................................................................ 27
2.8. Deformación de los materiales .......................................................... 28
2.9. Fractura de los materiales.................................................................. 28
2.10. Ensayos de resistencia ...................................................................... 28
2.10.1. Ensayos destructivos ...................................................................... 28
2.10.2. Ensayos no destructivos ................................................................ 29
2.11. Daños en losas .................................................................................... 29
2.12. Reforzamiento. .................................................................................... 29
2.13. Refuerzo con fibra de carbono .......................................................... 30
CAPITULO III: ........................................................................................................... 32
3. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN ....................................................... 32
3.1. Metodología ............................................................................................... 32
CAPITULO IV:........................................................................................................... 33
4. DISCUSION ....................................................................................................... 33
4.1. Condiciones actuales de la losa .............................................................. 33
4.2. Datos de Campo ........................................................................................ 34
xi
4.2.1. Levantamiento topográfico ................................................................ 34
4.2.2. Esclerómetro ....................................................................................... 37
4.2.3. Espesor mínimo de losa ..................................................................... 40
4.2.4. Cargas de diseño ................................................................................ 41
4.2.4.1. Carga muerta ................................................................................... 41
4.2.4.2. Carga viva ........................................................................................ 41
4.2.4.3. Reducción de cargas. ...................................................................... 42
4.2.4.4. Mayoración de carga. ...................................................................... 42
4.2.4.5. Carga sobre el nervio ...................................................................... 43
4.3. Idealización del nervio ........................................................................ 43
4.4. Refuerzo con fibra .............................................................................. 44
4.4.1. Propiedades del diseño de la fibra de carbono ................................ 45
4.4.2. Eje neutro c ......................................................................................... 48
4.4.3. Determinar la deformación unitaria en estado ultimo de cada
material en base de la fibra superior Ɛcu ...................................................... 49
4.4.4. Calculo de esfuerzos en condiciones ultimas de cada material en
base a las deformaciones ultimas. ................................................................ 49
4.4.5. Calculo de parámetros "α" y "β" del bloque de esfuerzos equivalen
51
4.4.6. Calculo de resultantes de fuerzas internas en la sección ............... 51
4.4.7. Chequeo de equilibrio ........................................................................ 51
4.4.8. Calculo de capacidad a flexión en condiciones ultimas ................. 52
4.4.9. Momento ultimo resistente ................................................................ 52
4.5. Resultados ................................................................................................. 52
4.6. Longitud de refuerzo ................................................................................. 53
4.7. Ubicación del refuerzo .............................................................................. 53
CAPITULO V:............................................................................................................ 54
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 54
xii
5.1. Conclusiones ............................................................................................. 54
5.2. Recomendaciones ..................................................................................... 55
Referencias .............................................................................................................. 56
INDICE DE TABLA
Tabla 1: Combinación de carga ............................................................................. 24
Tabla 2: Propiedades de la Fibra de Carbono ...................................................... 28
Tabla 3: Deflexiones Máximas Permisibles Para Losas en dos Direcciones .... 36
Tabla 4: Espesor mínimo de Losa ......................................................................... 40
Tabla 5: Análisis del Peso Propio de la Estructura ............................................. 41
Tabla 6: Cargas de Ocupación .............................................................................. 41
Tabla 7:Datos de Hormigón, Acero y Solicitación ............................................... 44
Tabla 8: Especificaciones Técnicas de la Fibra de Carbono .............................. 45
Tabla 9: Factor de Reducción Ambiental ............................................................. 46
Tabla 10: Datos Para el Diseño ............................................................................. 48
INDICE DE FIGURAS
Ilustración 1: Ubicación Del Proyecto .................................................................. 17
Ilustración 2: Método de evaluación de estructura ............................................. 30
Ilustración 3: Aplicación de la fibra ...................................................................... 31
Ilustración 4: Losa afectada .................................................................................. 34
Ilustración 5¨: Levantamiento topográfico de la estructura ................................ 35
Ilustración 6: Nivelación de la losa afectada ........................................................ 36
Ilustración 7: Nivelación ........................................................................................ 37
Ilustración 8: Selección de puntos para el ensayo de esclerómetro ................. 38
Ilustración 9: Ensayo de esclerómetro ................................................................. 39
xiii
Ilustración 10: Corte de la Losa ............................................................................ 42
Ilustración 11: Diagrama de momento y cortante ................................................ 44
Ilustración 12: Sección del Nervio con el Refuerzo ............................................. 44
Ilustración 13: Diagrama de Esfuerzo de Formacion .......................................... 46
Ilustración 14: Resumen de Resultados ............................................................... 53
Ilustración 15: Ubicación del Refuerzo ................................................................. 53
xiv
RESUMEN
La ingeniería estructural es una rama de la ingeniería civil que se ocupa del diseño y
cálculo de la parte estructural tales como edificios, puentes, túneles y otras obras
civiles. Nuestro país se caracteriza por presentar desastres naturales al ubicarse
geográficamente en una de las zonas de más alta complejidad tectónica del mundo,
esto hace que comprometan a las estructuras, por la cual estamos obligados a
buscar alternativas de refuerzo que alarguen la vida útil de estas construcciones y
aseguren el bienestar de las personas.
Las losas son elementos estructurales que deben ser capaces de soportar cargas de
servicio, esta parte es una de las afectadas por los factores ya mencionados y
requieren de un estudio de prevención o reparación.
Las fibras de carbono es un material compuesto de altas características físicas y
mecánicas, al ser cuatro veces más resistentes que el aluminio y la mitad de su
peso, es una de las mejores alternativas de refuerzo que se han utilizado desde los
años 80.
Las normas NEC (Norma Ecuatoriana de la Construcción), nos proporcionara
factores que nos garantizaran la seguridad de nuestra estructura hasta en un
máximo del record de los eventos naturales en la historia de nuestro país.
PALABRAS CLAVE
Estructura, losa, reforzamiento, materiales, textiles, fibra.
xv
SUMMARY
Structural engineering is a branch of civil engineering that deals with the design and
calculation of the structural part such as buildings, bridges, tunnels and other civil
works. Our country is characterized by natural disasters by being located
geographically in one of the zones with the highest tectonic complexity of the world,
this causes them to compromise the structures, for which we are obliged to look for
alternatives of reinforcement that extend the useful life of these constructions and
ensure the well-being of people.
Slabs are structural elements that must be able to support service loads, this part is
one of those affected by the factors already mentioned and require a study of
prevention or repair.
Carbon fibers is a composite material with high physical and mechanical
characteristics, being four times more resistant than aluminum and half its weight, is
one of the best reinforcement alternatives that have been used since the 1980s.
The norms NEC (Ecuadorian Construction Standard), will provide us with factors that
will guarantee the safety of our structure up to a maximum of the record of natural
events in the history of our country.
KEYWORDS
Structure, slab, reinforcement, materials, textiles, fiber.
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CAPITULO I:
1. GENERALIDADES
1.1. INTRODUCCIÓN
El Ecuador se encuentra situado en una de las zonas de más alta complejidad
tectónica del mundo, cuenta con una larga serie de volcanes en su mayoría activos
que provoca una permanente actividad sísmica y volcánica y determinan una
elevada vulnerabilidad, con una biodiversidad sujeta a amenazas
hidrometeorológicas como inundaciones, sequías, heladas o efectos del fenómeno
El Niño.
Estos desastres naturales comprometen las estructuras, que a lo largo de los años
se van deteriorando, solicitando nuevas alternativas de reforzamiento que preserven
las estructuras y la protección de los usuarios.
Una de las alternativas de reforzamiento ha sido a base de textiles, esta técnica se
ha implementado desde aproximadamente los años 80 ´s
Si bien la fibra de carbono es sinónimo de vanguardia, el origen de este material
creado por el hombre se remonta a finales del siglo XIX. Se cree que fue Thomas
Edison, inventor de la bombilla incandescente, quien creó la primera fibra de
carbono comercializada.
La fibra de carbono pesa un 50% menos que el aluminio, pero es tres veces más
resistente, y cuenta con la relación resistencia más alta de todos los materiales.
17
1.2. Objetivo General de la Investigación
Estudio y análisis de reforzamiento de una losa de dos direcciones usando la fibra
de carbono, ubicado en la ciudad de Babahoyo Provincia de los Ríos.
1.2.1. Objetivos Específicos
✓ Analizar las características técnicas de la losa existente.
✓ Identificar los nuevos requerimientos de la estructura para su rediseño.
✓ Determinar la solución cumpliendo con la eficiencia de la estructura.
1.3. Área de Estudio
La ubicación del proyecto se encuentra en Babahoyo (Provincia de Los Ríos),
ubicado en la calle Olmedo, entre 5 de junio y Juan X Marcos, y sus coordenadas
geográficas son:
Latitud: 1°48'6.00"S
Longitud: 79°32'9.44"O
Ilustración 1: Ubicación Del Proyecto
18
Fuente: Google Maps
1.4. Planteamiento del problema
1.4.1. Alcance
Realizar un análisis de la estructura y evaluar su capacidad para las nuevas
solicitaciones.
1.4.2. Condiciones
La primera condición será el análisis de la losa en la actualidad para conocer su
estructura y fin para cual fue construida, aquí obtendremos las características tales
como las dimensiones, el espesor, su armadura, la resistencia del hormigón y
demás.
La segunda condición es el nuevo uso que se le dará a esta losa, para la cual
dependerá de los nuevos requerimientos del usuario.
La tercera condición serán los respectivos cálculos y comparaciones de las
estructuras para poder obtener el debido reforzamiento.
1.5. Delimitación del estudio
La presente información será aplicada los conocimientos de la ingeniería
estructural para estudiar, evaluar las condiciones actuales de la losa, y poder dar las
recomendaciones de refuerzos requeridas.
Se analizarán los siguientes puntos clave para la losa que serán:
➢ Geometría estructural.
➢ Solicitaciones de uso para diseño.
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1.6. Justificación
El presente trabajo de Estudio de Reforzamiento de una Losa en Dos
Direcciones usando la Fibra de Carbono, se lo ha planteado con el fin de demostrar
cuales son los pasos a seguir para un trabajo similar y que sea útil para cualquier
edificación que la requiera.
Así mismo, para evitar accidentes en la actual estructura, brindando
recomendaciones que ayuden a la correcta aplicación y contribuir con el manejo
adecuado de reforzamientos que indican las normas vigentes.
20
CAPITULO II:
2. MARCO TEÓRICO
2.1. Estructura
Una estructura es una cadena elástica estable, compuesta por un número finito de
elementos unidos entre sí mediante un número finito de juntas, uno de cuyos
números es arbitrario.
Nótese que se han utilizado en la definición las palabras: “cadena” por la unión que
tienen los diferentes elementos; “elástica” porque se consideran pequeñas
deformaciones del orden de infinitésimos y “estable” en tal virtud no tiene sentido
hablar de estructuras inestables. Es fundamental destacar que al decir “elástica” el
comportamiento es de tipo lineal, todo el texto está marcado en este análisis.
(FALCONI, 2014)
2.1.1. Losa
Las losas son elementos estructurales bidimensionales, ya que la tercera dimensión
(espesor) es pequeña comparada con las dos dimensiones principales (largo
ancho). Las cargas que actúan en las losas son perpendiculares al plano principal
(cargas gravitacionales CV-CM), por lo que su comportamiento está dominado por la
flexión. (RUIZ, 2016)
Deben ser capaces de soportar las cargas de servicio u ocupación como son cargas
vivas: personas, y cargas muertas: peso propio de la estructura y el de los
elementos no estructurales. Además deben trabajar como un diafragma horizontal
rígido para atender la función sísmica es decir ante cargas horizontales (viento,
sismo). (LEONARDO, 2017)
21
2.1.2. Losas Nervadas.
Este tipo de losas se elaboran a base de un sistema de entramado de trabes
cruzadas que forman una retícula, dejando huecos intermedios que pueden ser
ocupados permanentemente por bloques huecos o materiales cuyo peso
volumétrico no exceda de 900 𝑘𝑔/𝑚.3. (RUIZ, 2016)
2.1.3. Losas macizas.
Su comportamiento estructural es básicamente como el de vigas anchas, se
considera que la losa se encuentra formada por una serie de vigas paralelas de
ancho unitario (franjas unitarias), si la carga aplicada es uniforme todas las franjas
reciben la misma carga y sufrirán la misma flexión, es decir los momentos flectores
que se producen son los mismos en todas las franjas que se extienden en la
dirección corta de la losa. (LEONARDO, 2017)
2.2. La ingeniería estructural.
Es importante seguir un proceso y una secuencia lógica cuando se hacen
estructuras, esto depende que los resultados obtenidos pertenezcan al diseño y el
componente construido sea funcional. (Llumitasig, 2015)
Los pasos para el dimensionamiento de las estructuras de arte mayor en general
aplicando las mejores prácticas y criterios técnicos de funcionalidad, seguridad y
aspectos constructivos será:
- Planificación
- Diseño
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- Planos de diseño definitivo
- Recomendaciones constructivas y de mantenimiento
(Sigcha, 2016)
2.3. Factores de seguridad
Un factor que considera o agrupa todas las incertidumbres asociadas en el proceso
de diseño. (NEC, Geotecnia y cimentaciones, 2014)
2.4. Levantamiento de la información
2.4.1. Información de la estructura
Es importante la ubicación ya que si existen estudios de microzonificación esta
información ayuda a obtener los factores de sitio, además si es susceptible de
inundaciones o si está localizada en un lugar donde exista alguna falla, el año de
construcción es importante ya que permite identificar si se construyó en base a
normativa o no y que sistema constructivo de la época se empleó. En una
inspección preliminar se puede determinar el uso de la estructura mediante
encuesta al propietario se obtiene información de cambio de uso o ampliaciones de
la edificación. (PAVÓN, 2017)
2.4.2. Levantamiento arquitectónico
Nos permite tener información de cargas permanentes, vivas, materiales empleados
en la estructura y determinar el factor de importancia. (PAVÓN, 2017)
23
2.4.3. Levantamiento estructural
Se refiere a la geometría estructural, es decir las dimensiones de columnas, vigas,
losas, distancia entre pisos y entre ejes, al tratarse de una evaluación se toma en
cuenta las dimensiones in situ ya que estas pueden diferir de los planos
estructurales en algunos casos. (PAVÓN, 2017)
2.5. Cargas de diseño
Quizá la tarea más importante y difícil que debe enfrentar un diseñador de
estructuras, es la estimación precisa de las cargas que recibirá una estructura
durante su vida útil. (McCormac, 2013)
2.5.1. Carga muerta
Las cargas muertas son cargas de magnitud constante que permanecen fijas en un
mismo lugar. Estas son el peso propio de la estructura y otras cargas
permanentemente unidas a ella. Para un edificio con estructura de acero, son
cargas muertas la estructura en sí, los muros los pisos, el techo, la plomería y los
accesorios. (McCormac, 2013)
2.5.2. Carga viva
Las cargas vivas son aquellas que pueden cambiar de lugar y magnitud. Son
causadas cuando una estructura se ocupa, se usa y se mantiene. Las cargas que se
mueven bajo su propio impulso como camiones, gente y grúas, se denominan
cargas móviles. Aquellas cargas que pueden moverse son cargas móviles, tales
como los muebles y los materiales en un almacén. (McCormac, 2013)
24
2.5.3. Combinaciones de cargas
Tabla 1: Combinación de carga
Fuente: (ACI, 2014)
2.6. Tipos de fallas
Los dos tipos de fallas que se pueden presentar en un ensayo a flexión sobre vigas
es la falla por flexión y la falla por cortante. (HONG HONG ADÁN DAMIÁN, 2016)
2.6.1. Resistencia a la flexión
A fin de comprender de una mejor manera los efectos que produce la aplicación de
una determinada carga sobre un material se han desarrollado curvas características
como la ya conocida esfuerzo ingenieril vs deformación ingenieril ( e vs e) y así
obtener información sobre el comportamiento mecánico del material para su óptima
aplicación con base en los requerimientos del diseño. Estas curvas son una
extremadamente importante medida gráfica de las propiedades mecánicas del
material. (Becerril, 2014)
25
2.6.2. Resistencia del corte
Los esfuerzos por cortante generalmente son mayores que los esfuerzos por flexión,
por lo que en general la mayoría de los diseños se rigen a este tipo de esfuerzo.
Existen dos tipos de acciones en el corte: el unidireccional (Viga) y el bidireccional
(losa). (HONG HONG ADÁN DAMIÁN, 2016)
2.7. Materiales
Los materiales utilizados para construir sólidos con función resistente son muy
diversos. Se emplean desde materiales que se encuentran en la naturaleza como la
madera o la piedra, hasta los más modernos elaborados por el hombre, como los
materiales reforzados con fibras o el acero y aleaciones metálicas. (Valladolid, 2014)
Los materiales destinados a la construcción pueden ser productos procesados o
fabricados que son destinados a ser incorporados de manera permanente en
cualquier obra de ingeniería civil.
De manera general, estos materiales deberán cumplir con los siguientes requisitos:
• Resistencias mecánicas de acuerdo al uso que reciban.
• Estabilidad química (resistencia ante agentes agresivos)
• Estabilidad física (dimensiones)
• Seguridad para su manejo y utilización
• Protección de la higiene y salud de obreros y usuarios
• No alterar el medio ambiente.
• Aislamiento térmico y acústico
26
• Estabilidad y protección en caso de incendios
• Comodidad de uso, estética y económica.
(NEC, Guía práctica para el diseño de estructuras de hormigón armado, 2015)
2.7.1. Concreto
El concreto no confinado, es un material que se comporta de forma adecuada a la
compresión, pero débil en tracción, lo que limita su aplicabilidad como material
estructural. Para resistir tracciones, se emplea acero de refuerzo, generalmente en
forma de barras, colocado en las zonas donde se prevé que se desarrollarán
tracciones bajo las acciones de servicio. (ING. CARLOS ENRIQUE GONZALES
MUCHA, 2015)
2.7.2. Acero de refuerzo
Es un material que posee una gran resistencia a traccion, cualidad por la cual se
usa para resistir principalmente los esfuerzos de traccion que se inducen en los
elementos estructurales de concreto reforzado por cargas de diseño. (ING. CARLOS
ENRIQUE GONZALES MUCHA, 2015)
2.7.3. Materiales compuestos
Dentro de los materiales compuestos encontramos diferentes clasificaciones
dependiendo de lo que se desee. La mayoría de los materiales que encontramos en
la naturaleza son compuestos de dos a más componentes para adquirir las
propiedades necesarias para su aplicación. (Manuel Rodrigo Wandurraga Bautista,
2016)
27
2.7.3.1. Concreto armado
El concreto simple, sin refuerzo, es resistente a la compresión, pero débil en
tensión, lo que limita su aplicabilidad como material estructural. Para resistir
tensiones, se emplea refuerzo de acero, generalmente en forma de barras, colocado
en las zonas donde se prevé que se desarrollarán tensiones bajo las acciones de
servicio. La combinación de concreto simple con refuerzo constituye lo que se llama
concreto armado. (CÉSPEDES, 2016)
2.7.3.2. Fibras de carbono
La tecnología de compuestos estructurales de polímeros reforzados con fibra (FRP,
por su sigla en inglés) se remonta a mediados de 1930, cuando el primer casco de
un barco experimental fue fabricado con tejido de fibra de vidrio y resina de
poliéster. A partir de este comienzo poco auspicioso, compuestos de FRP han
revolucionado industrias enteras, incluyendo la aeroespacial, naval, automóviles,
industria, recreación, vivienda e infraestructura. (MAPEI, 2015)
Estructuralmente las fibras de carbono consisten principalmente en grafito y una
pequeña porción de carbón amorfo, de hecho la estructura se le conoce como
grafito turboestrático.
Las propiedades de las fibras de carbono y grafito dependen del grado de
perfeccionamiento en el alineado de las capas de grafito obtenido en los
tratamientos térmicos
28
El costo de las fibras de carbono es directamente proporcional al tratamiento térmico
al que fueron sometidas, que influye directamente en el módulo de rigidez de las
fibras.
Tabla 2: Propiedades de la Fibra de Carbono
Fuente: (VILLARREAL, 2014)
2.8. Deformación de los materiales
Es la variación que sufre un material en forma y dimensiones cuando es sometido a
fuerzas exteriores que la producen. (MANUEL PASCUAL GUILLAMÓN, 2017)
2.9. Fractura de los materiales
Es la consecuencia de producirse una discontinuidad en un sólido, debido a un
esfuerzo suficiente que precipitara su separación en dos o mas partes. (MANUEL
PASCUAL GUILLAMÓN, 2017)
2.10. Ensayos de resistencia
2.10.1. Ensayos destructivos
La resistencia a la compresión del concreto a una determinada edad puede
determinarse fundamentalmente mediante ensayos destructivos, aunque en
ocasiones se pueden usar también ensayes no destructivos, como la velocidad de
29
pulso ultrasónico, la esclerometría y el proceso pull out, estratégicamente
combinados con los destructivos. Los ensayos más utilizados para el control de
calidad en obra en sus diferentes fases son los destructivos, para lo que se toman
muestras del material para conformar los especímenes de forma cilíndrica o cúbica.
(Eduardo de J. Vidaud Quintana, 2014)
2.10.2. Ensayos no destructivos
Permite realizar determinaciones sobre la estructura sin comprometer la integridad
de la misma, obtener ciertas propiedades que son importantes para la realización
del modelo. La ventaja de estos ensayos radica en que son simples y rápidos sin
embargo cada ensayo tiene sus limitaciones y estos pueden ser de variada
interpretación de resultados, comparados con ensayos que se realizan en
laboratorio. (PAVÓN, 2017)
2.11. Daños en losas
La losa nervada de hormigón armado muy usada en Ecuador trabaja en dos
direcciones y causa un efecto diafragma bi-direccional pues está integrada y fundida
monolíticamente con las vigas (Romo, 2016)
2.12. Reforzamiento.
El reforzamiento de elementos estructurales indudablemente tiene como objetivo
“mejorar” alguna propiedad, por lo general la resistencia al cortante o a flexión, en la
cual su desempeño no es el deseado. Al reforzar elementos estructurales resulta útil
conocer en dónde, el material con el que se va a reforzar, es más eficaz, dónde va
desarrollar mayor potencial. (HONG HONG ADÁN DAMIÁN, 2016)
30
Ilustración 2: Método de evaluación de estructura
Fuente: (ALEGRIA, 2016)
2.13. Refuerzo con fibra de carbono
Los laminados de carbono se emplean para tomar los esfuerzos de tracción en
elementos de hormigón en los que predomina la flexión, como es el caso de las
vigas o losas de forjado. En este caso normalmente se emplean los refuerzos tipo
lámina. Los laminados vienen a suplir la falta de armadura o bien la merma de esta
por corrosión, lo que requiere de un tratamiento previo de saneado, pasivado y
31
regeneración de la superficie de hormigón con morteros estructurales, lo que no es
objeto de este trabajo. (Izquierdo, 2015)
Ilustración 3: Aplicación de la fibra
Fuente: (SIKA, 2002)
32
CAPITULO III:
3. METODOLOGIA DE LA INVESTIGACIÓN
3.1. Metodología
La metodología usada para este proyecto está enfocada en un el cálculo
analítico, un estudio observacional y descriptivo, junto a la revisión bibliográfica de
libros y artículos; acerca de la fibra de carbono en la construcción que nos permita
cumplir de forma satisfactoria con los objetivos planteados en esta investigación.
Para el cálculo del refuerzo con fibra de carbono, se debe tomar en cuenta que los
cálculos tradicionales para los limites que derivan la ruptura del hormigón y la
fluencia del acero, adicional se debe tener en cuenta toda posibilidad de falla del
estado límite de todos los materiales incluido la fibra de carbono, así como se
deberá analizar las deformaciones de la estructura previo al reforzamiento.
Donde los datos necesarios serán:
• Reconocimiento del lugar.
• Levantamiento topográfico de la losa.
• Prueba de esclerómetro
• Diseño de reforzamiento con fibra de carbono
33
• Elaboración de planos y especificaciones técnicas.
CAPITULO IV:
4. DISCUSION
4.1. Condiciones actuales de la losa
En la visita técnica se pudo observar a simple vista que la losa presenta ruptura del
enlucido en su parte inferior lo cual nos indica que es una losa ha sufrido una
deformación en los momentos positivos de los nervios.
Según las nuevas exigencias de la estructura, su carga ocupacional será sustituida
de vivienda, como fue diseñada inicialmente, a un uso de almacén.
34
Ilustración 4: Losa afectada
Elaboración: César Vera
4.2. Datos de Campo
4.2.1. Levantamiento topográfico
Se realizó la medición del terreno utilizando la cinta y flexómetro, ya que las
condiciones de la estructura no requerían de equipos de mayor precisión.
Los datos obtenidos se reflejan a continuación:
35
Ilustración 5: Levantamiento topográfico de la estructura
Elaboración: César Vera
El ACI y el Código Ecuatoriano de Construcción establecen la deformación máxima
que puede tener las losas macizas y nervadas, que dependerá del uso que tenga la
misma como se indica en la tabla siguiente.
36
Tabla 3: Deflexiones Máximas Permisibles Para Losas en dos Direcciones
Fuente: (ACI,318S, 2014)
Pare este caso usaremos l/360, donde usaremos la luz más larga l = 4.30 m,
entonces nos resultara que la mayor deflexión permitida es 0.0119 m que es igual a
1.02 cm
Nivelamos el terreno para conocer la deflexion que tiene la losa ya que presenta
grietas en su momento positivo y poder comprobar si cumple con las solicitaciones
de las normas.
Ilustración 6: Nivelación de la losa afectada
37
Elaboración: César Vera
Ilustración 7: Nivelación
Elaboración: César Vera
La deformacion cumple con las solicitaciones de la norma.
4.2.2. Esclerómetro
Se tomaron varias muestras de la losa con el esclerómetro en los puntos más
críticos donde se podía observar deflexiones.
38
Ilustración 8: Selección de puntos para el ensayo de esclerómetro
Elaboración: César Vera
39
Ilustración 9: Ensayo de esclerómetro
Elaboración: César Vera
40
El resultado de la prueba al hormigón fue:
F’c = 286 kg/cm2
Resultados de ensayos (ver en anexos)
4.2.3. Espesor mínimo de losa
Utilizando la norma ACI318S-14, que en su capítulo 8 contiene normas para el
diseño de losas en dos direcciones.
En la siguiente tabla se muestra las condiciones para calcular la altura mínima de
vigas no pre-esforzadas.
Tabla 4: Espesor mínimo de Losa
Fuente: (ACI, 2014)
H = Ln/33
H = 4.30/33 = 0.13 m
Por lo tanto, se confirma que el espesor mínimo de la losa existente está
cumpliendo con los requerimientos, puesto que, la losa en el sitio tiene 0.15 m
0.15 ˃ 0.13 m
41
4.2.4. Cargas de diseño
4.2.4.1. Carga muerta
Los datos para el cálculo son los siguientes:
• Acabados con cerámica = 1800 kg/m3
• Enlucido = 2000 kg/m3
Tabla 5: Análisis del Peso Propio de la Estructura
Elaboración: César Vera
La carga muerta será 562.00 kg/m2
4.2.4.2. Carga viva
Referenciando los datos del NEC-SE-CG-CARGAS NO SÍSMICAS-2015,
obtenemos:
Tabla 6: Cargas de Ocupación
Fuente: (NEC, Geotécnia y cimentaciones, 2014)
42
Para este caso se usará la carga viva de 4.8 KN/m2 ya que será un almacén en el
nuevo piso.
4.2.4.3. Reducción de cargas.
Cumpliendo con las normas NEC-SE-CG-CARGAS NO SÍSMICAS-2015, no se
podrá reducir la sobrecarga cuando la carga viva sea mayor a 4.8 KN/m2.
4.2.4.4. Mayoración de carga.
Las normas del ACI 318S-14, indica que la sobrecarga se la realizara con la
fórmula:
U = 1.2 D + 1.6 L
Los datos obtenidos son los siguientes:
D = 562 Kg / m2
L = 480 Kg / m2
U = 1.2 D + 1.6 L
U = 1442.40 Kg / m
Ilustración 10: Corte de la Losa
Elaboración: César Vera
43
4.2.4.5. Carga sobre el nervio
qnu = U x Ai
qnu = 1442.40 Kg / m2 x 0.50 m
qnu = 721.20 Kg / m
4.3. Idealización del nervio
44
Ilustración 11: Diagrama de momento y cortante
Elaboración: César Vera
Mu = 952.50 kg – m Vu = 1550.58 kg (Momentos últimos de diseño)
Como la carga viva ha aumentado, los momentos serán mayores a los que fueron
calculados inicialmente, por lo tanto, se calculara el refuerzo con fibra de carbono.
4.4. Refuerzo con fibra
Ilustración 12: Sección del Nervio con el Refuerzo
Elaboración: César Vera
Tabla 7:Datos de Hormigón, Acero y Solicitación
45
Elaboración: César Vera
Los datos de la fibra de carbono serán los especificados según el fabricante.
Tabla 8: Especificaciones Técnicas de la Fibra de Carbono
Fuente: (SIKA, 2002)
Utilizaremos Sika CarboDur tipo S
4.4.1. Propiedades del diseño de la fibra de carbono
Debido a que la fibra de carbono tiene un comportamiento lineal en su grafica de
esfuerzo/deformación, se recomienda utilizar para el cálculo el 30% de la
deformación última del fabricante.
46
Ilustración 13: Diagrama de Esfuerzo de Formacion
Fuente: (SIKA, 2002)
La deformación que usaremos será el 30% de 30000 kg/cm2 que nos resultará
10000 kg/cm2
Las exposiciones a condiciones ambientales reducen las propiedades de tensión,
fractura de las láminas de fibra de carbono, el ACI referencia un factor de reducción
mediante la siguiente expresión:
Tabla 9: Factor de Reducción Ambiental
Fuente: (ACI, 2014)
47
Módulo de elasticidad
Es = 1650000
30 % del esfuerzo ultimo según el fabricante
ffu* = 10000
Deformación según el fabricante
Ɛfu* = ffu / Es
Ɛfu* = 0,006060606
Condiciones ambientales
CE = 0.95
Ɛfu = 0,005757576
ffu = 9500
Los datos para el diseño serán:
48
Tabla 10: Datos Para el Diseño
Elaboración: César Vera
El procedimiento para el cálculo FRP obliga a realizar un programa dinámico, ya que
los valores dependerán del eje neutro que debe ser modificado para satisfacer otras
condiciones, se mostrara el proceso y resultados finales.
4.4.2. Eje neutro c
Se recomiendo 0.15d a 0.20d, este será asumido hasta después en el proceso que
se corregirá.
c = 2.5 (este valor se corregirá después)
Aplastamiento del concreto
49
4.4.3. Determinar la deformación unitaria en estado ultimo de cada material en
base de la fibra superior Ɛcu
Acero a compresión
Ɛ’s = 0,000844774
Acero a tracción
Ɛs = 0,019450273
Fibra de carbono
Ɛbi = 1,79854E-05
Ɛf = 0,023922
4.4.4. Calculo de esfuerzos en condiciones ultimas de cada material en base a
las deformaciones ultimas.
50
Ɛsy = 0.002
Acero en compresión
fs’ = 1774,02
Acero a tracción
fs = 4200
Lamina de carbono
ffe = 39471,86
51
4.4.5. Calculo de parámetros "α" y "β" del bloque de esfuerzos equivalen
α = 0.85
β = 0.85
4.4.6. Calculo de resultantes de fuerzas internas en la sección
Fuerza de compresión en el concreto
Cc = 3379,134841
Compresión en el acero
C’s = 739,1770601
Ts = 1750
Fuerza de tracción de la fibra de carbono
Tfe = 2368,311887
4.4.7. Chequeo de equilibrio
Para que ocurra esto, se interactuó con una tabla de Excel realizada para encontrar
el eje neutro c que satisfaga esta condición de equilibrio.
Eje neutro C que satisface la ecuación fue:
52
C = 1,6703583
4.4.8. Calculo de capacidad a flexión en condiciones ultimas
Reducción para fibra de carbono
ѱf =0.85
Reducción de resistencia a flexión
ɸ = 0.90
4.4.9. Momento ultimo resistente
ɸMn = 26774,19
4.5. Resultados
El momento nominal cumple con el requerido, también debe considerarse que el
acero ha tenido una vida útil de más de 10 años que lleva la construcción y que el
proceso de corrosión está en proceso, en los próximos años el acero puede
disminuir significativamente que se debería considerar el momento ultimo por la
flexión de la fibra de carbono por si sola.
53
Ilustración 14: Resumen de Resultados
Elaboración: César Vera
4.6. Longitud de refuerzo
Para vigas continuas, el SiKa CarboDur debe terminar en el punto de inflexión
donde los esfuerzos son mínimos
4.7. Ubicación del refuerzo
Ya que la resistencia ha aumentado significativamente, se distribuirá el refuerzo de
la siguiente manera:
Ilustración 15: Ubicación del Refuerzo
54
Elaboración: César Vera
CAPITULO V:
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. Conclusiones
• La fibra de carbono es la mejor opción entre los materiales compuestos
existentes por su gran módulo de elasticidad.
• Este método es excelente al momento de requerir mayor tracción a los
elementos que se deseen reforzar.
• La fibra de carbono posee una gran durabilidad.
• Los elementos estructurales que se pueden reforzar con este material en el
ámbito de la construcción es muy amplio.
• El mantenimiento de las fibras de carbono es mínimo.
• Los materiales tienen una determinada vida útil, por la cual, las estructuras
deben estar sometidas a chequeos de modo de prevención de los desastres
naturales y al mismo tiempo útil para la cual fueron diseñados.
• Las estructuras que han cumplido el tiempo de diseño se pueden preservar si
se desea con este tipo de reforzamientos.
55
5.2. Recomendaciones
• Hay que conocer las características de los materiales, ya que su duración
dependerá de muchos factores naturales, esto nos sirve para prevenir
desastres y tomar medidas con soluciones ingenieriles a su tiempo.
• Consultar con los proveedores de los materiales a usar en obra, para conocer
sus características sometidas a la tracción y compresión.
• Si la estructura lleva aproximadamente 15 años en adelante construida, se
debe castigar al acero por lo menos en un 30 %, más aún si han existido
filtraciones ya que esto acelera el proceso de corrosión.
• En caso de existir fisuras, se debe controlar usando epóxidos que sellen
estos daños previos a la instalación de la fibra de carbono.
56
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http://eprints.uanl.mx/4165/1/1080253846.pdf
60
ANEXOS
61
62
Proyecto: Residencia Vera
Localización: Babahoyo-Provincia de Los Ríos
Solicitado Por: César Vera
Atención:
Fecha: 05/09/2017
Ubicación del elemento:
Losa
Temperatura ambiente: xxx
°C
% de Humedad ambiente: xxx%
Fecha de fundición: 00/00/2 000
Edad del concreto: 17 años
Resistencia especificada:
x xxx Kg/cm2
Orientación del martillo:
Lecturas: 42 40 33 33 35
37 36 36 36 36
Promedio de las lecturas: 36,4
Resistencia (De acuerdo a Gráfica # 1)
34,0 N/mm2 = 346,8 Kg/cm2
Observaciones:
63
Proyecto: Residencia Vera
Localización: Babahoyo-Provincia de Los Ríos
Solicitado Por: César Vera
Atención: 0
Fecha: 05/09/2017
Ubicación del elemento:
S egunda Pila
Temperatura ambiente: xxx
°C
% de Humedad ambiente: xxx%
Fecha de fundición: 00/00/2 000
Edad del concreto: 17 años
Resistencia especificada:
xxx Kg/cm2
Orientación del martillo:
Lecturas: 33 32 40 30 30
29 28 30 28 30
Promedio de las lecturas:
31
Resistencia (De acuerdo a Gráfica # 1)
28,00 N/mm2 = 285,60 Kg/cm2
Observaciones:
64
Proyecto: Residencia Vera
Localización: Babahoyo-Provincia de Los Ríos
Solicitado Por: César Vera
Atención: 0
Fecha: 05/09/2017
Ubicación del elemento:
Segunda Pila
Temperatura ambiente: xxx
°C
% de Humedad ambiente: xxx%
Fecha de fundición: 00/00/2 000
Edad del concreto: 17 años
Resistencia especificada:
xxx Kg/cm2
Orientación del martillo:
Lecturas: 27 32 28 29 28
30 32 28 40 32
Promedio de las lecturas: 30,6
Resistencia (De acuerdo a Gráfica # 1)
28,0 N/mm2 =285,6 Kg/cm2
Observaciones:
R E S U L T A D O S D E E N S A Y O S
PRUEBA ESTÁNDAR PARA EL NÚMERO DE REBOTE EN UN HORMIGÓN ENDURECIDO
ASTM C 805
Proyecto: Residencia Vera
Localización: Babahoyo-Provincia de Los Ríos
Solicitado Por: César Vera
Ensayo Fecha de Elemento Resistencia Resistencia % de
# ensayo medida especificada resistencia
Kg/cm2 Kg/cm2
1 5/9/2017 Losa primer piso
alto 347
#¡DIV/0!
2 5/9/2017 Losa primer piso alto 286
#¡DIV/0!
3 5/9/2017 Losa primer piso alto
286 #¡DIV/0!
Observaciones:El hormigón de la zona investigada se considera estructuralmente adecuado siempre que la
resistencia medida sea ≥ 90% de la resistencia especificada.
Ing. Teresa Armas Franco
Por Solum Ingenieros Consultores
S.A
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
ESCUELA DE INGENERIA CIVIL GENERALES DE INGENERIA
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGIA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS / TRABAJO DE GRADUACIÒN
TITULO Y SUBTITULO : ESTUDIO Y ANALISIS DE REFORZAMIENTO DE UNA LOSA DE DOS DIRECCIONES USANDO LA FIBRA DE
CARBONO, UBICADO EN LA CIUDAD DE BABAHOYO PROVINCIA DE LOS RIOS
AUTOR(ES): VERA ICAZA CESAR MARCELO
REVISOR(ES)/TUTOR(ES): ING DANIEL DOUGLAS ITURBURU, MSc
ING. MARCELO MONCAYO THEURER M.Sc.
INSTITUCION : Universidad de Guayaquil
UNIDAD/FACULTAD : Facultad De Ciencias Matemáticas y físicas
MAESTRIA/ESPECIALIDAD :
GRADO OBTENIDO :
FECHA DE PUBLICACION : 2018 NUMERO DE PAGINAS 58
ÀREAS TEMÀTICAS : ESTUDIO Y ANALISIS DE REFORZAMIENTO DE UNA LOSA DE DOS DIRECCIONES USANDO LA FIBRA DE CARBONO
PALABRAS CLAVES
/KEYWORKDS: ESTRUCTURA-LOSA-REFORZAMIENTO-MAERIALES-TEXTIES-FIBRA
RESUMEN /ABSTRACT (150-250 ) PALABRAS : La
ingeniería estructural es una rama de la ingeniería civil que se ocupa del diseño y cálculo de la parte estructural
tales como edificios, puentes, túneles y otras obras civiles. Nuestro país se caracteriza por presentar desastres
naturales al ubicarse geográficamente en una de las zonas de más alta complejidad tectónica del mundo, esto hace
que comprometan a las estructuras, por la cual estamos obligados a buscar alternativas de refuerzo que alarguen la
vida útil de estas construcciones y aseguren el bienestar de las personas.
Las losas son elementos estructurales que deben ser capaces de soportar cargas de servicio, esta parte es una de
las afectadas por los factores ya mencionados y requieren de un estudio de prevención o reparación.
ADJUNTO PDF : X SI NO
CONTACTO CON AUTOR/ES: Telefono 0988692564 Email: [email protected]
CONTACTO CON LA
INSTITUCIÒN :
Nombre: FACULTAD DE CIENCIA MATEMATICAS Y FISICAS
Telefono: 2-283348
Email :
ANEXO 10