Reforzamiento de estructuras con platinas de fibra de carbono postensadas

El sistema de reforzamiento estructural con materiales compuestos FRP es uno de los métodos de mayor importancia en la actualidad en todo el mundo. La sigla FRP proviene del inglés Fiber Reinforced Polymer (polímero reforzado con fibras) y está conformado por fibras de gran resistencia a la tensión que se unen con resinas sintéticas (usualmente epóxicas) para conformar un laminado y obtener un sistema de reforzamiento muy eficiente. Son tres las características que han hecho famoso al FRP, a saber:

• Gran resistencia a la tensión: en el caso de las platinas de fibra de carbono, se ven resistencias aproximadamente 7 veces mayores que el acero convencional usado en construcción.
• Bajo peso: aproximadamente 5 veces más liviano que el acero, lo cual influye en la facilidad y tiempo final de instalación.
• No se corroen: El FRP es un material sintético, por lo cual no se corroe; incluso es posible aplicarlo en estructuras ubicadas en zonas costeras.

En la actualidad se comercializan varios productos de FRP: platinas de fibra de carbono, tejidos de fibra de carbono, cordones de fibra de carbono y barras de fibra de carbono.

Los ingenieros estructurales disponen de varias guías para el diseño de reforzamientos con materiales compuestos FRP, como la guía norteamericana ACI 440.2R-08 (2008) y las guías europeas Fib 14 (2001) y Fib 35 (2006). Existen otras guías como la inglesa TR55 (2012) y la italiana CNR-DT 200 R1 (2014). En 2010 se publicó la guía para reforzamientos con FRP de estructuras de mampostería ACI 440.7R.

Los materiales compuestos FRP se usan para el reforzamiento de estructuras de concreto reforzado, mampostería, madera, metálicas incluyendo tuberías de conducción de crudo y gas.

Las razones más importantes por las cuales las estructuras se refuerzan con FRP son:

• Aumento de cargas verticales: estructuras como puentes, muelles y edificios pueden aumentar las cargas muertas y vivas para las que fueron diseñadas originalmente.
• Deterioro en el tiempo: el medio ambiente deteriora poco a poco a todas las estructuras. Las construcciones costeras sufren más, debido al ataque de las sales marinas. También el deterioro por fuego o explosiones son comunes.
• Errores de diseño y construcción: son casos típicos las estructuras con baja resistencia a compresión del concreto o con deficiencia en acero de refuerzo.
• Actualización sísmica: La mayor parte de la infraestructura está ubicada en zonas de riesgo sísmico alto e intermedio.

Los materiales compuestos FRP se adhieren a la superficie de las estructuras que van a reforzar mediante el uso de adhesivos. El objetivo es aumentar la capacidad de carga de los elementos estructurales como vigas, losas, columnas y muros.

Hay proyectos especiales que exigen un gran aumento de carga por parte de los elementos estructurales y que no pueden ser solucionados con materiales compuestos FRP convencionales adheridos al concreto (platinas y tejidos de fibra de carbono). Es entonces cuando hay que aplicar una solución más poderosa, como por ejemplo las platinas de carbono postensadas.

Sistema de platinas de carbono postensadas 

Los materiales compuestos FRP como las platinas de carbono son, de por sí, una solución de reforzamiento muy eficiente. Sin embargo, al aplicarles una fuerza de tensionamiento (postensado), se convierten en una solución activa muy poderosa para el reforzamiento estructural.

La platina o platinas de carbono son tensionadas y fijadas al concreto mediante el uso de unos anclajes metálicos embebidos en el concreto. A la platina de carbono se le instala una cabeza de fibra de carbono en cada extremo mediante unas cuñas especiales. De esta manera la platina de carbono puede instalarse dentro de los anclajes metálicos y tensionarse con un gato hidráulico. Existe un extremo fijo y un extremo móvil que es donde se instala el gato hidráulico.

Aplicación en edificios industriales y de apartamentos 

Las losas y las vigas de los edificios deben reforzarse a menudo por aumento de las cargas vivas y cambios de uso, por ejemplo. La transferencia de la fuerza concentrada en los extremos de las platinas de carbono es una ventaja en la configuración estructural. Cuando no se pueden lograr los objetivos del reforzamiento con platinas de carbono sin tensionar, el sistema de platinas de carbono postensadas se convierte en una buena alternativa.

Los muros de mampostería tienen a menudo insuficiente capacidad de soportar las fuerzas laterales de sismo. Al aplicar una fuerza vertical de postensionamiento con las platinas de carbono, se aumenta la resistencia a fuerzas de corte en las mamposterías. Lo anterior también es válido para edificios con pantallas en concreto reforzado.

En la foto 3 se muestra el reforzamiento de un muro (pantalla de concreto reforzado) con las platinas de carbono postensadas. Se ve el extremo de una de las platinas de carbono en el momento de aplicación de la fuerza de postensado por medio de un gato hidráulico (se aplican 22 toneladas).

Las ventajas son:

• Se puede aplicar a edificios históricos (estructuras de mam- postería).
• El postensionamiento vertical aumenta la resistencia a cargas laterales de sismo.
• Fácil de instalar por su bajo peso. Las platinas de carbono se pueden cortar en las longitudes requeridas (rollos de 250 m de longitud).

La foto 4 muestra 3 platinas de carbono postensadas en la parte inferior de una losa de un casino en Viena (Austria). Se requería eliminar 2 columnas del edificio para aumentar el espacio de un salón. Antes de eliminar las columnas se instalaron y tensionaron las 3 platinas de carbono.

Hay proyectos en donde es suficiente reforzar la estructura con FRP sin tensionar, simplemente adherido a la superficie. Pero hay casos en donde el nivel de carga es más grande y el FRP sin tensionar no soluciona el problema. Es indudable que en esos casos la solución se obtiene con el FRP postensado o tensionado.

Consideraciones del sistema

Un proyecto con platinas de carbono postensadas tendrá menos platinas que uno con platinas simplemente adheridas (sin tensionar). El tensionamiento permite aprovechar mayor cantidad de fuerza de tensión de la platina de carbono y por lo tanto es más eficiente que la solución sin tensionar. El principio básico del reforzamiento de estructuras de concreto con platinas de carbono postensadas es similar al del concreto postensado convencional. Una porción, o toda la carga muerta se transfiere a las platinas antes de la adherencia y anclaje de las mismas al concreto. Los anclajes mecánicos en el extremo de las platinas de carbono transfieren el preesfuerzo al concreto. Las platinas de carbono postensadas toman una parte de la carga muerta y la carga viva, en comparación con las platinas de carbono sin postensar, que solo toman una parte de la carga viva.

Otras ventajas que se obtienen al reforzar con las platinas de carbono postensadas, son las siguientes:

• La estructura es menos susceptible a fisurarse una vez esté en servicio y, si lo hace, el ancho de las fisuras es más estrecho y el número de fisuras es más distribuido. Hay que tener en cuenta que las fisuras son un problema para la correcta adherencia del FRP (platinas o tejidos de fibra de carbono).
• Se mejoran la durabilidad y el servicio de la estructura debido a la reducción en la fisuración.
• Si la estructura ya está fisurada antes del reforzamiento, al instalar las platinas de carbono y postensarlas se cierran las fisuras existentes.
• Se logra el mismo nivel de reforzamiento, pero con menos cantidad de platinas de carbono comparado con un reforzamiento con platinas de carbono sin tensionar.
• El eje neutro se encuentra más abajo en el caso de las platinas postensadas, lo cual resulta en una mayor eficiencia estructural.
• El tensionamiento incrementa la carga a la cual empieza a fluir el acero de refuerzo interno.

Las fotos 8 y 9 muestran el reforzamiento de un puente en Suiza, colocando las platinas de carbono.

Historia de las platinas de carbono postensadas

El primer reforzamiento con platinas de carbono se hizo en 1991 en el puente Ibach en Lucerna, Suiza. Se reforzaron las vigas con platinas de carbono de 5 m de longitud, 15 cm de ancho y 2 mm de espesor, simplemente adheridas al concreto (sin tensionar).

En Colombia y América Latina se realizó el primer reforzamiento con platinas de carbono en 1996 en el puente Cocorná, en la vía Medellín-Bogotá. Se colocaron platinas de carbono de 5 cm de ancho y 1,2 mm de espesor en la parte lateral de las vigas para incrementar su capacidad a cortante, simplemente adheridas al concreto (sin tensionar).

A finales de la década de 1990 inventan el sistema de platinas de carbono postensadas en Suiza y en el año 2000 hacen el primer reforzamiento con este sistema (puente Reuss en Lucerna, Suiza).

En la actualidad se han reforzado más de 400 estructuras con las platinas de carbono postensadas, principalmente en países de Europa (Suiza, Alemania, Francia, Polonia, Austria). En Latinoamérica no se han aplicado las platinas de carbono postensadas. Se han reforzado estructuras con las platinas y tejidos de fibra de carbono pero sin tensionar, simplemente adheridos al concreto o a la mampostería mediante adhesivos epóxicos.

Conclusión

Hay proyectos de reforzamiento de estructuras en donde el nivel de cargas es grande, por ejemplo, cuando el nivel de cargas es el doble del que soporta el elemento estructural (vigas y losas). En esos casos las platinas de carbono simplemente adheridas no solucionan el problema. Se requiere entonces un sistema de reforzamiento más potente, como son las platinas de carbono postensadas.