PARA REFUERZO

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
ESTADO DEL ARTE EN VARILLAS CORRUGADAS DE FIBRA DE VIDRIO “GFRP”
PARA REFUERZO EN ELEMENTOS DE CONCRETO
Luis Alejandro Escamilla Hernández1 y José Óscar Loza Vega2
RESUMEN
En este trabajo se describen las características principales de las varillas (GFRP) como refuerzo de estructuras
de concreto así como sus usos y procedimientos de diseño. Para esto se realizó una investigación bibliográfica
en libros, folletos, páginas Web, normas y reglamentos, en donde se señalan las principales propiedades de
este material, se establece una comparativa entre el acero y las varillas GFRP como refuerzo en el concreto y
por último se presenta un ejemplo ilustrativo. De esta investigación se concluye que el refuerzo con varillas
GFRP es recomendable en casos muy específicos en donde el acero no tenga un comportamiento adecuado.
ABSTRACT
The main characteristics of GFRP bars as a reinforcement of concrete are presents as well as it, uses and
design procedure. For a bibliographical investigation was performed including of books, papers, web pages
and design guides. This paper shows the main properties of these materials, a comparative between steel and
GFRP bars as reinforcement of concrete and an illustrative example. The conclution of this investigation is
that the reinforcement with GFRP bars can be used only in very specific cases were the steel does´t have an
optimal performance.
INTRODUCCIÓN
En los últimos cien años la humanidad ha logrado los avances científicos que a finales del siglo XVIII
hubiesen parecido extraídos de un libro de ciencia ficción de Julio Verne sin embargo esto no es así y al igual
que en otras áreas científicas la Ingeniería civil también ha evolucionado de acuerdo con las exigencias que se
plantean en el mundo moderno. Uno de los principales avances es la creación de nuevos materiales de
refuerzo para el concreto Hasta la fecha el principal material de refuerzo del concreto ha sido el acero, pero
este material resulta en cierta medida ineficiente en algunos casos, es ahí donde entran estos nuevos
materiales compuestos los cuales son llamados así porque su composición está dada por dos o más materiales
fundamentales.
Con el afán por mejorar la durabilidad del concreto, se ha investigado el empleo de otros tipos de materiales
para el refuerzo del concreto, entre ellos se encuentran la varillas de materiales compuestos, comúnmente
conocidos como FRP (fiber reinforced polymers) en donde una matriz polimérica envuelve a las fibras, que
pueden ser de diferentes materiales, formando así el compuesto. En este artículo se hablará en especial de las
varillas de fibra de vidrio con matriz polimérica GFRP.
Como se mencionó, las varillas GFRP están elaboradas a base de dos componentes principales de los cuales el
primero es una fibra (en este caso fibra de vidrio) y el segundo es una matriz de tipo polimérica, en este
material compuesto, las fibras proveen la resistencia a la tensión y la matriz le da la rigidez a la varilla, la
cuál a demás de mantener junta y compacta a la fibra, la protege de los agentes externos y previene la
abrasión y la corrosión, pero otra de las funciones importantes es la de transmitir los esfuerzos hacia las fibras,
ya que esta resina recibe primero los esfuerzos provenientes del concreto y por medio de su adherencia a este
y por sus corrugaciones se transmiten los esfuerzos de una manera mecánica.
1
Ingeniero civil, Universidad Autónoma del Estado de México, Facultad de ingeniería, Paseo Universidad s/n,
Cerro de Coatepéc, C.U. Toluca México. Teléfono: 017221900038; alexcamilla@yahoo.com.mx,
2
Ingeniero civil, Universidad Autónoma del Estado de México, Facultad de ingeniería, Paseo Universidad s/n,
Cerro de Coatepéc, C.U. Toluca México. Teléfono: 017131354037; oscarloza99@yahoo.com,
1
XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Acapulco, Gro., 2004
DESCRIPCIÓN DE LAS VARILLAS GFRP
Uno de los materiales que componen las varillas GFRP es la fibra de vidrio de la cual el uso más conocido
que se tiene es en la fabricación del fuselaje de los aviones, así como en las carrocerías de los automóviles, en
la fabricación de artículos deportivos y aparatos ortopédicos, pero en la industria de la construcción los
primeros usos que se le ha dado es como elemento decorativo de fachadas o de jardines. Pero por sus
características físicas y mecánicas se ha comenzado a utilizar con mayor frecuencia como medios de
reparación de estructuras y últimamente las investigaciones han arrojado resultados alentadores como
refuerzo para el concreto.
Existen diferentes tipos de fibra de vidrio y se clasifican de acuerdo a su composición química, debido a esto,
sus características físicas también son diferentes, algunos tipos comunes que se emplean el la fabricación de
las varillas GFRP se mencionan a continuación: tipo E con baja conductividad eléctrica, el tipo AR con alta
resistencia a los álcalis, el tipo C con resistencia a la corrosión química, el tipo S con una alta resistencia a la
tensión. En la tabla 1 se muestran los principales tipos de fibra de vidrio así como sus principales
características y composición química.
Tabla 1 Composición de algunas fibras de vidrio para refuerzo (Reproducido de la pg 486 del libro
“Ciencia de materiales para ingenieros” tercera edición)
Designación
Característica
SiO2
Al2O3+Fe2O3
CaO
MgO
Na2O
K2O
otros
Vidrio A
sosa común-cal sílice
72
<1
10
-
14
-
3
Vidrio AR
Resistente al álcali (para
reforzado de concreto)
61
<1
5
<1
14
3
15
Vidrio C
Resistente a la corrosión
química
65
4
13
3
8
2
5
Vidrio E
Composición eléctrica
54
15
17
5
<1
<1
7
Vidrio S
Alta resistencia y módulo
65
25
-
10
-
-
-
La matriz de las varillas GFRP está elaborada a base de resinas poliméricas, específicamente las varillas
GFRP están hechas a base de resinas termorígidas, estas se vuelven duras y rígidas al ser calentadas. Las más
utilizadas para su fabricación son el viniléster y el poliéster por su alta resistencia a la tensión.
El proceso con el cual se fabrican las varillas GFRP es llamado pultrusion este es un proceso primario
automatizado para elaborar perfiles de plástico reforzados con fibra (en este caso fibra de vidrio) de secciones
constantes. Este proceso ha sido utilizado con anterioridad en la fabricación de perfiles con medidas
estándares en los que se incluyen vigas I, vigas de sección cajón, tubos y hasta complejos moldes
arquitectónicos, sin dejar de mencionar las varillas para refuerzo del concreto Entre las propiedades físicas
más importantes para mencionar se encuentra la sección transversal, esta puede ser cuadrada o circular y a
cualquiera de estas se les puede encontrar con un hueco en el centro dependiendo del modelo que se requiera,
gracias a la maleabilidad de la resina, ésta puede tomar la forma deseada por el fabricante, es decir que la
resina puede tener el tipo de corrugación deseada por el consumidor, como se muestra en la figura 1
El proceso de pultrusion consiste principalmente en las siguientes etapas. Primero se distribuye el material de
refuerzo (fibra de vidrio) la segunda etapa consiste en impregnar las fibras mediante un baño con resina, el
tercer paso es la de darle a las varillas las corrugaciones deseadas a través de un molde, en el cuarto paso se
les envuelve helicoidalmente dependiendo del tipo de acabado que se le desee dar a la varilla, el quinto paso
también es optativo ya que consiste en darles a las varillas un baño de arena, el paso número seis consiste en
pasar la varilla a través de un túnel de curado en donde la resina se polimeriza, más tarde son pasadas por una
máquina de pulido, y por último son cortadas a la medida deseada. La figura 2 muestra un corte transversal de
una varilla GFRP
2
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Fig. 1 Varillas de refuerzo GFRP disponibles en EE.UU. (Reproducida de la página 18 de la “guía para
el diseño y construcción de concreto reforzado con varillas FRP”)
envoltura en espiral
(fibra de vidrio)
centro (fibra de vidrio)
cubierta (resina)
Figura 1 Sección transversal de una varilla GFRP (Marshal industries)
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y MECÁNICAS
Las varillas GFRP son fabricadas siguiendo las características comunes ya conocidas de las varillas de acero
para refuerzo de las estructuras de concreto, es decir tienen las mismas configuraciones de corrugación y los
mismos diámetros nominales.
A causa de que el producto es anisótropo el coeficiente de expansión térmica longitudinal esta dominado por
las propiedades de las fibras mientras que el coeficiente de expansión térmica transversal es dominado por las
propiedades de la resina. El valor de éste coeficiente varía para su dirección axial y radial con los siguientes
valores promedio; Dirección longitudinal: 6-10 x 10-6/°C, Dirección transversal: 21-23 x 10-6/°C, a diferencia
del acero el cual es un material isótropo y por lo tanto su coeficiente de expansión térmica es el mismo en
todas sus direcciones y cuyo valor es de 11.7 x 10-6/°C.
Como referencia el coeficiente de expansión térmica de el concreto va desde 7 hasta 14 x 10-6/°C lo cual nos
índica que el comportamiento de las varillas GFRP en su sentido longitudinal es muy parecido al que tiene el
concreto, pero en su sentido transversal es prácticamente el doble lo que puede llevar a que el concreto sufra
agrietamientos, al haber observado estos datos nos indican que el acero tiene un comportamiento mucho mas
parecido al concreto que lo que pudieran tener las varillas GFRP, sin embargo si tomamos en cuenta que las
varillas elaboradas a base de acero sufren de corrosión y ésta hace que aumente su volumen
significativamente las varillas GFRP no son una mala opción.
3
XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Acapulco, Gro., 2004
Otra de las propiedades físicas importantes es la densidad las varillas GFRP tienen una densidad específica de
1250 – 2100 kg/m³ es por eso que son cuatro veces más ligeras que el acero el cuál pesa 7900 kg/m³. Debido
al bajo peso que tienen, los costos de transporte disminuyen considerablemente además de que su
manejabilidad en obra se facilita.
Dentro de las propiedades mecánicas más importantes se encuentra el módulo de elasticidad el cuál tiene un
valor de 116600 kg/cm2, que a diferencia del acero este es mucho más bajo. El comportamiento a tensión de
las varillas GFRP se caracteriza por tener una relación elástica lineal en el diagrama esfuerzo deformación,
hasta que el material falla. Este hecho tiene una importancia enorme ya que al no tener un comportamiento
plástico el material no fluye, es decir que no se deforma con incremento en la carga aplicada y como
consecuencia no se tiene un aviso momentos antes de que falle el elemento.
Una característica muy importante es que el esfuerzo de tensión de las varillas GFRP está en función del
diámetro de la varilla, este es debido a la disminución del esfuerzo a cortante de las fibras localizadas cerca
del centro de la varilla, debido a que estas no están sujetas a la misma cantidad de esfuerzo que aquellas fibras
que se encuentran cerca de la superficie exterior de la varilla. Como resultado de éste fenómeno se reduce la
resistencia y la eficiencia de las varillas GFRP en diámetros mayores.
A diferencia del esfuerzo a tensión, el esfuerzo a compresión es muy bajo, en estudios éste ha llegado a ser
del 55% del esfuerzo a tensión por lo que no se recomienda su utilización como refuerzo a compresión.
Otra de las propiedades mecánicas importantes es la resistencia de las varillas GFRP en las zonas de dobleces
en donde su resistencia a tensión disminuye hasta en un 60% en la zona de los dobleces.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Entre las principales ventajas para el uso de las varillas GFRP se encuentran su resistencia a la corrosión
producida por el álcali, también es resistente a los ataques químicos, su transparencia a las ondas
electromagnéticas, baja conductividad tanto eléctrica como térmica y por último su ligereza lo cual implica
una mayor manejabilidad en obra. De acuerdo con las ventajas antes mencionadas las varillas GFRP pueden
ser utilizadas en; Cubiertas de puentes sometidas a procesos de deshielo por sales, lugares de almacenamiento
de sal y productos químicos agresivos al acero, rompeolas, albercas, cuartos que alberguen equipo que su
funcionamiento pueda ser afectado por refuerzo metálico y concreto que está cerca de cables de alto voltaje y
subestaciones.
Cabe mencionar que por su naturaleza, las varillas GFRP actualmente no son recomendadas para contribuir a
soportar compresión de los elementos estructurales, es por esto que no es utilizado en columnas, pilas o
pilotes.
Al igual que todos los materiales las varillas GFRP también tienen sus desventajas entre las que se encuentran.
Baja resistencia a la tensión en su sentido transversal, no presenta etapa elástica antes del punto de ruptura,
alto coeficiente de expansión térmica en su sentido transversal, bajo módulo de elasticidad por lo tanto poca
ductilidad además de que en los dobleces la resistencia disminuye considerablemente.
Sin embargo su uso se ha generalizado para el empleo de refuerzo del concreto en ambientes agresivos para el
acero con resultados alentadores.
4
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
COMPARATIVA EN EL DISEÑO DE ELEMENTOS DE CONCRETO REFORZADOS CON
ACERO CONTRA ELEMENTOS DE CONCRETO REFORZADOS CON VARILLAS GFRP
Para comenzar se mencionan algunas diferencias existentes entre éstos dos materiales, se establece que las
varillas GFRP son un material compuesto, es decir que esta formado por dos o más materiales a diferencia de
el acero que es un material de los llamados fundamentales, esto es que su composición está hecha a base de un
solo material.
Otra de las principales diferencias entre las varillas GFRP y las varillas de acero es que las varillas de acero
son un material isótropo esto es que tiene las mismas características en todas sus direcciones a diferencia de
las varillas GFRP que están elaboradas con un material anisótropo esto debido a que las fibras solo están
orientadas en una sola dirección, siendo el eje longitudinal el eje fuerte, por lo tanto este tipo de material no
tiene las mismas características en todas sus direcciones. En la tabla 2 podemos observar las principales
diferencias entre las propiedades mecánicas del acero y las de las varillas GFRP.
Tabla 2 Principales propiedades mecánicas de las varillas GFRP
GFRP
ACERO
MPA
480-900
483-690
ESFUERZO A TENSIÓN
2
kg/cm
ksi
4925.9-9148.1
710-130
4200-7037
70-100
GPA
40.8
200
MÓDULO DE ELASTICIDAD
2
3
kg/cm
10 ksi
416600
5.92
2100000
29
En la tabla 3 se presenta una comparativa entre las principales propiedades físicas de las varillas GFRP y las
de acero, estas dos tablas nos dejan una idea más clara de las diferencias existentes entre estos dos tipos de
refuerzo, por lo cual el procedimiento de diseño debe contener ciertas particularidades.
Tabla 3 Principales propiedades físicas de las varillas GFRP
GFRP
ACERO
αL
αT
αL
αT
COEFICIENTE DE EXPANSIÓN
TÉRMICA
-6
-6
CTEx10 /°C
CTEx10 /°F
3.3-5.6
6-10
11.7-12.8
21-23
6.5
11.7
6.5
DENSIDAD
3
3
kg/cm
0.00258
lb/in
161
0.0078
486.67
11.7
Otro aspecto importante de mencionarse es el comportamiento de los materiales bajo carga axial. Como es
sabido el acero de refuerzo posee una etapa plástica donde se reacomodan sus partículas y después de un
proceso de cedencia el material llega a su falla, mientras que las varillas GFRP no tienen etapa plástica sino
que esta tiene un comportamiento elástico lineal hasta su fractura. En el siguiente diagrama (figura 3) se
puede observar una comparativa de los diagramas esfuerzo deformación de las varillas GFRP y las varillas de
acero, ambas como refuerzo para concreto.
5
XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Acapulco, Gro., 2004
σ
kg/cm2
ACERO
7290.5
GFRP
6249
5207.5
4200
4116
3124.5
1083
1041.5
0
0
0.001
0.003
0.005
0.01
0.015
0.02
ε
Figura 3. Diagramas esfuerzo-deformación de las varillas de acero y de las varillas GFRP
Para realizar la comparativa entre el diseño de elementos de concreto reforzados con varillas GFRP y de
elementos de concreto reforzado con acero, se revisó la Guide for the Design and Construction of Concrete
Rinforced with FRP bars (Guía para el Diseño y la Construcción de Concreto Reforzado con Varillas GFRP)
elaborado por el comité 440 del ACI.
De acuerdo con la guía, existen dos tipos de falla para elementos de concreto reforzados con varillas GFRP.
El primero consiste en considerar que la falla es debida a la ruptura de la fibra antes que el aplastamiento del
concreto, el segundo modo de falla considerado por la Guía consiste en permitir al aplastamiento del concreto
antes que la fractura de las fibras. La Guía de diseño del comité 440 del ACI permite el diseño de los
elementos por ambos criterios de falla, pero recomienda utilizar el criterio por falla del concreto.
A diferencia del diseño utilizando acero como refuerzo, donde se busca la fluencia del acero aprovechando su
ductilidad antes que el concreto falle, el criterio para diseño con refuerzo realizado a base de GFRP busca la
falla por aplastamiento del concreto, antes de la fractura de las fibras, esto puede parecer una falla frágil, pero
es controlado por factores de seguridad que afectan al Momento Resistente del elemento. Como se muestra a
continuación.
φMn = Momento resistente multiplicado por el factor de reducción
φ = 0.5
si ρf ≤ ρfb → Falla por ruptura del GFRP.
φ = ρf / 2ρfb
si ρf > ρfb → Falla por aplastamiento del concreto.
φ = 0.7
si ρf ≥ 1.4ρfb → Falla por aplastamiento del concreto.
En donde:
ρf = porcentaje de refuerzo
ρfb = porcentaje de refuerzo balanceado
6
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
La siguiente gráfica muestra el factor de reducción a utilizar de acuerdo con el porcentaje de refuerzo dado.
φ
0 .7
0 .5
FALLA POR
RUPTURA DE LA
F IB R A
FALLA POR
A P L A S T A M IE N T O
DEL CONCRETO
ρ fb
ρf
1 .4 ρ fb
Figura 4 Factor para la reducción del esfuerzo en función del grado de refuerzo
La guía de diseño elaborada por el comité 440 del ACI sólo considera el refuerzo a tensión con varillas GFRP
para elementos a flexión, así como el refuerzo a cortante de estos, pero su uso como refuerzo a compresión no
lo recomienda. En la tabla 4 se muestran las principales diferencias de diseño de elementos de concreto
reforzado con varillas GFRP y elementos de concreto reforzado con acero.
Tabla 4 Principales diferencia en el diseño con varillas GFRP contra varillas de acero
Tipo de material
Varilla GFRP
Compuesto anisótropo
Varilla de acero
Material isótropo
Flexión
Falla por aplastamiento del concreto
Falla dúctil
Agrietamiento
Máximo permitido 0.04cm
Deflexiones
Se permite mayor agrietamiento teniendo un máximo de
0.07cm
No se toma en cuenta el refuerzo a compresión
Cortante
Disminución en la resistencia de los dobleces
Se toma en cuenta el acero a
compresión
Misma resistencia que sin
dobleces
Cabe mencionar que para el diseño con varillas GFRP el ACI considera un valor promedio de la resistencia a
la tensión de las varillas GFRP lo que nos lleva a resultados que no son óptimos ya que se podrían utilizar
diámetros menores teniendo en cuenta que estos tienen una mayor resistencia a la tensión que los diámetros
mayores o bien combinación de diámetros, lo cual aun no hay resultados de pruebas realizadas con paquetes
de varillas de diámetros iguales y diferentes.
7
XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Acapulco, Gro., 2004
EJEMPLO ILUSTRATIVO
En el siguiente ejemplo práctico de aplicación se realiza una comparativa en la cuál se pueda diseñar para
varillas GFRP y alternativamente para varillas de acero y de esta manera poder destacar sus diferencias
técnicas.
Para la realización del ejemplo se utilizaron diferentes métodos de diseño.
Guía para el Diseño y la Construcción de Concreto Reforzado con Varillas FRP.
Reglamento de las Construcciones de Concreto Reforzado ACI 318-89.
NTC del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal 2004.
Se realizaron las consideraciones generales siguientes.
Pabellón para contener un equipo de tomografía axial computarizada.
Viga simplemente apoyada.
Longitud = 6m.
f’c =250 kg/cm2.
La Guía para el Diseño y la Construcción de Concreto Reforzado con Varillas FRP para efectos de análisis
toma un valor promedio, para éste ejemplo se decidió utilizar la resistencia a la tensión de una varilla del # 8
debido a que en un análisis para refuerzo con acero es lo que comúnmente se utilizaría.
Resistencia a la tensión f*fu
Esfuerzo de ruptura ε* fu
Modulo de elasticidad Ef
550 MPa
0.014
40800 MPa
5277.75 kg/cm2
0.014
416600 kg/cm2
El proceso de diseño que se siguió para proponer una sección adecuada con refuerzo con varillas GFRP se
menciona a continuación en forma muy general, así mismo el procedimiento para el diseño con acero de
refuerzo es el comúnmente conocido.
Paso 1 Estimar la sección transversal apropiada
Paso 2 Cálculo de los factores de carga.
Paso 3 Cálculo de la resistencia a la tensión y flujo plástico de diseño de las varillas.
Según el ACI 318-89 la suma de la deflexión a largo plazo debida a todas las cargas sostenidas, y la
deflexión inmediata debida a cualquier carga viva adicional no deberá exceder l/240. Además de que
la relación alto ancho deberá de ser de 0.75.
Paso 4 determinar el área de las varillas GFRP requerida para el esfuerzo por flexión.
-Calculando del momento actuante.
-Cálculo del porcentaje de refuerzo balanceado
Para una falla controlada por aplastamiento del concreto el porcentaje mínimo de refuerzo deberá ser
≥1.4ρfb.
-Cálculo del grado de refuerzo requerido para esfuerzo por flexión por medio de prueba y error.
Como se requiere falla por aplastamiento del concreto se usará un factor de reducción de 0.7 y se
usará un valor inicial para el porcentaje de refuerzo ρfb ≥1.4ρfb.
-Calculo del momento nominal.
-Calculo del área correspondiente a las varillas GFRP
8
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
Paso 5 Revisión de la deflexión de la viga.
-Calculando el momento de inercia de la sección.
-Calculo de las propiedades de la sección agrietada y el momento de agrietamiento.
-Calculo del coeficiente de reducción para deflexión usando el recomendado
-Calcular la deflexión debida a la carga muerta mas la carga viva.
-Calculando la deflexión inmediata debida a la carga muerta más la carga viva sin factorizar.
-Calculando la deflexión debida a la carga muerta.
-Calculando la deflexión debida a la carga viva.
-Calculo del factor para la deflexión a largo plazo usando ξ = 2 El cual es el valor recomendado por ACI
para una duración de más de 5 años.
-Calcular la deflexión a largo plazo para un 20% de carga viva sostenida y compara con las deflexiones
permisibles a largo plazo.
Paso 6 Cálculo del ancho de grieta.
-Calculando el nivel de esfuerzo de las varillas bajo carga muerta mas carga viva sin factorizar
-Definir el área de tensión efectiva del concreto por ACI 318.
-Calculo del ancho de grieta usando kb = 1.2 (factor para varillas corrugadas).
Paso 7 Cálculo de los límites de flujo plástico.
-Calculando el momento debido a todas las cargas sostenidas.
-Calculando el nivel de esfuerzo en la varilla.
Paso 8 Diseño por cortante.
-Cálculo del cortante a una distancia “d” del apoyo.
-Calculo de la contribución del concreto al cortante para un miembro reforzado con GFRP.
-Refuerzo GFRP requerido.
-El esfuerzo efectivo en el estribo debe de ser.
-Calculando el espaciamiento requerido para los estribos
Armado
Durante el diseño con refuerzo con varillas GFRP se realizaron varias iteraciones debido a que la viga no
lograba pasar la revisión por deflexión, por lo que fue necesario ampliar la sección transversal del elemento
donde se obtuvo un peralte de 50cm y un ancho de 38cm, en comparación con el diseño con refuerzo de acero
en donde se obtuvieron secciones transversales mucho menores con un peralte efectivo de 40cm diseñando
con ACI y NTC, un ancho de 30cm con ACI y de 20cm con NTC, la causa de estos resultados es la naturaleza
de las varillas de fibra de vidrio que como se puede observar en la figura 3 tienen una deformación mucho
mayor a la que tiene el acero, por lo que el porcentaje de refuerzo tiende a elevarse además de que se tomo en
cuenta un modo de falla por aplastamiento del concreto antes de la ruptura del refuerzo de fibra, la cantidad
de refuerzo tiende a elevarse considerablemente.
En cuanto al área de refuerzo el resultado también fue mucho mayor para las varillas GFRP teniendo un área
de refuerzo de 23.91cm2 en comparación con las varillas de acero con las cuales se obtuvo un área de
10.138cm2 con el ACI y de 10.4cm2 con las NTC, como ya se mencionó el modo de falla que se escogió fue
el de aplastamiento del concreto antes que el de la fibra por lo que el factor de reducción fue de 0.7 y el factor
del porcentaje de refuerzo balanceado es de 1.4, esto lleva finalmente a tener un área de refuerzo mucho
mayor que la de acero.
9
XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Acapulco, Gro., 2004
Al diseñar el refuerzo a cortante este también resulto ser mucho mas el refuerzo con estribos GFRP que con
estribos de acero teniendo que para GFRP se necesitaron E # 3@6 y para acero tanto con ACI como para
NTC se necesitaron E # 3 @ 18 lo que representa un refuerzo tres veces mayor el utilizado con GFRP al de
acero, esto debido a que los factores de seguridad son mucho más amplios para el diseño con varillas GFRP
que para varillas de acero, esto es teniendo en cuenta que la resistencia a la tensión disminuye demasiado en
la región del doblez de las varillas GFRP.
A manera de resumen en la tabla 5 se anotan los resultados del diseño para las diferentes normas en donde se
pueden apreciar las diferencias entre los diferentes refuerzos.
Tabla 5 Cuadro de resultados comparativos del ejemplo ilustrativo
ACI para GFRP
ACI 318-89
NTC
Peralte efectivo
50cm
40cm
40cm
Ancho efectivo
38cm
30cm
20cm
Área de refuerzo
23.91cm
2
2
10.138cm
# de varillas
5 var. # 8
2 var. # 8
4 var. # 6
Cantidad de refuerzo a
cortante
E # 3 @6
E # 3 @18
E # 3 @ 18
10.4cm
2
CONCLUSIONES
Queda en claro que las varillas GFRP hasta el momento, son de uso recomendable en casos muy
específicos en los cuales el refuerzo con varillas de acero tradicional afecte el funcionamiento del
elemento estructural o inmueble en cuestión, o que debido a los factores ambientales el refuerzo con
acero no tenga la vida útil necesaria
Se debe poner especial cuidado en el diseño de elementos, ya que se realiza por falla del concreto lo
cual implicaría falla del tipo frágil.
Los factores de seguridad en el diseño con varillas GFRP son mayores que en el diseño con acero.
El diseño con varillas GFRP es más detallado y arroja secciones transversales mayores que con acero
de refuerzo, además de necesitar mayor área de refuerzo.
El empleo de varillas GFRP como refuerzo por cortante es poco eficiente ya que como se vio se
necesita demasiado refuerzo en distancias muy pequeñas, sin embargo para los requerimientos de
proyectos especiales es indispensable la utilización de los mismos.
De acuerdo con lo investigado en este trabajo es poco recomendable el uso de GFRP como refuerzo
a cortante debido al acabado que tiene ya que no se les puede fabricar con ganchos, además de que
los estribos pierden gran parte de su resistencia a la tensión en la zona del doblez, otro factor que se
suma a está recomendación es que los estribos sólo pueden ser doblados en su proceso de fabricación
y no en obra como con los estribos de acero, lo cuál dificultaría el armado del elemento estructural.
Cabe mencionar que el diseño que propone el ACI para elementos a flexión no es del todo correcto
ya que la resistencia a tensión de diseño la asume como si fuera la misma para todos los diámetros.
10
Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural
REFERENCIAS
BIBLIOGRAFÍA
•
González O., Robles F. (2002) “Aspectos fundamentales del concreto reforzado”, Limusa, México,
D.F., 757pp.
•
Comité ACI 318 (1989) “Reglamento de las construcciones de concreto reforzado (ACI 318-89)”,
Instituto mexicano del concreto, A.C., México D.F., 279pp.
•
Arnal S. L., Betancourt M., (1999) “Reglamento de construcciones para el Distrito Federal”, Trillas,
México D.F., 811p.
•
Comité ACI 440, (200) “Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP
bars”, American Concrete Institute, 97pp.
•
James M. G., Timoshenko S. P., (1998) “Mecánica de materiales”, Internacional Thomson Editores,
México D.F., pp. 1-34.
•
Shackelford J. F. (1998), “Ciencia de materiales para ingenieros”, Prentice Hall, México D.F. pp.
483-492.
•
(1998) “Merriam-webster’s collegiate dictionary”, Merriam Webster Incorporated E.U.A., 1998.
•
(1996) “Diccionario oxford escolar para estudiantes mexicanos de inglés”, Oxford University
Press,.
•
(1990) “Alfa Diccionario Enciclopédico Ilustrado”, Salvat Editores, S.A., Barcelona España.
PÁGINAS WEB
•
www.hughesbros.com/Aslan100%20GFRP
•
www.hughesbros.com/Aslan%20100%20MSDS.pdf
•
www.scienceinchina.com/ky/0013/ky1164.pdf
•
www.ubt.bme.hu/phdsymp/2ndphd/proceedings/muruts.pdf
•
www.fortius.be/EN%20Karakteristieken%20Final.pdf
•
www.dextragruop.com/html/gfrp-prop.htm
•
www.scielo.br/pdf/mr/v6n4/17953.pdf
•
www.vectorgroup.com/RebarMech.html
•
www.vectorgroup.com/SEA0%20Hawaii20Aug%2799.pdf
•
www.allmetalsuply.com/fiberglass_rebar1.htm
•
www.new-technologies.org/ECT/Civil/frp´rebar.htm
•
www.cuidex.com.ar
11
XIV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural
Acapulco, Gro., 2004
•
www.libertypultrusions.com
•
www.psrc.usm.edu
•
www.dextragroup.com/html/gfrp_prp.htm
•
http://pubsnrc.gc.ca/sample/101-085.pdf
•
http:acholar.lib.vt.edu/thesis/availabke/etd-09292002-111112/unrestricted/Thesis.pdf
•
http://egrfaculty.villanova.edu/public/Civil_Enviromental/SPG/Kona%20Files/Shear-abstract-32.htm
12