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Fibra de carbono en construcción

Fibra de carbono en la construcción

Características y aplicaciones de la fibra de carbono en la construcción, el sistema de refuerzo estructural que ha revolucionado la industria

El uso de fibra de carbono en construcción es una técnica relativamente reciente pero representa una solución extraordinaria en el campo del refuerzo estructural. Este artículo explora el innovador mundo del refuerzo con fibra de carbono, arrojando luz sobre sus aplicaciones revolucionarias.

Descubramos juntos cómo este material de vanguardia está cambiando el rostro de la construcción moderna, ofreciendo soluciones versátiles y resistentes para desafíos estructurales futuros.

Si estás interesado en estas nuevas soluciones de diseño pero temes no poder manejarlas completamente y cumplir con las prescripciones de las normas técnicas, puedes utilizar un software de cálculo estructural que te ayudará a diseñar con total seguridad.

¿Qué son las fibras de carbono en la construcción?

Las fibras de carbono (o CFRP Fiber Reinforced Polymers), suministradas en cintas o mallas, se utilizan cada vez más en el ámbito de la construcción para el refuerzo estructural de elementos existentes. En otros casos, en forma de barras de refuerzo (llamadas C-Bar), sustituyen la armadura clásica de acero.

Las cintas y mallas de fibra de carbono están compuestas por:

  • Fibras que representan el material estructural;
  • Resina que sirven de matriz para «unir» las fibras.

Ventajas de las fibras de carbono en la construcción

Las fibras de carbono utilizadas para el refuerzo estructural tienen notables propiedades mecánicas y alta resistencia, manteniendo al mismo tiempo un peso reducido. Esta característica permite su uso en el refuerzo de edificios existentes sin comprometer significativamente el peso de los elementos estructurales, evitando así un aumento excesivo de las cargas de ejercicio.

Las fibras de carbono también tienen una baja absorción de agua, aproximadamente alrededor del 0,1%, lo que las hace adecuadas incluso para su uso en entornos muy húmedos. Además, cumplen con los requisitos contra incendios debido a su resistencia a altas temperaturas.

Desventajas de las fibras de carbono en la construcción

Sin embargo, las fibras de carbono tienen algunos inconvenientes, especialmente relacionados con el diseño y la implementación. Es esencial que sean diseñadas cuidadosamente por técnicos especializados e instaladas por personal competente y adecuadamente capacitado.

Aplicación de las fibras de carbono en la construcción

En los últimos años, el uso más evidente de las fibras de carbono en la industria de la construcción se refiere al refuerzo estructural de los nodos viga-pilar mediante la aplicación de cintas de fibra. Estos trabajos tienen como objetivo aumentar la resistencia al corte de la viga y del pilar en el punto de convergencia.

Los nodos viga-pilar representan puntos débiles en las estructuras de hormigón armado diseñadas principalmente considerando cargas verticales. Esta vulnerabilidad a menudo se debe a la escasa presencia de armadura a corte en estas áreas.

Durante el refuerzo, se busca restaurar la jerarquía correcta de resistencias entre los elementos, de acuerdo con las Normas Técnicas para la construcción, mediante el uso de cintas específicas de fibra de carbono. Esto confiere a la estructura una mayor robustez y resistencia contra cargas horizontales, como las generadas por un evento sísmico.

Clasificación de las fibras de carbono

Las fibras de carbono pueden clasificarse según la dirección en la que están orientadas. Las principales categorías incluyen fibras unidireccionales, bidireccionales y cuadriaxiales.

Aquí están las principales diferencias entre ellas:

  • Fibras unidireccionales – están alineadas en una sola dirección.
    • Propiedades mecánicas: Ofrecen altas prestaciones en resistencia y rigidez a lo largo del eje de orientación, pero tienen propiedades inferiores en direcciones diferentes.
    • Aplicaciones: Ideales en donde se necesita resistencia en una dirección específica, como en vigas de refuerzo.
  • Fibras bidireccionales – están alineadas en dos direcciones ortogonales entre sí (generalmente a lo largo de las direcciones 0° y 90°).
    • Propiedades mecánicas: Ofrecen resistencia tanto en el eje x como en el eje y, proporcionando un compromiso entre resistencia y flexibilidad.
    • Aplicaciones: Utilizadas en situaciones donde se requiere resistencia en más de una dirección, como en el refuerzo de losas o paredes.
  • Fibras cuadriaxiales – están orientadas a lo largo de cuatro direcciones principales (generalmente 0°, 90°, ±45°).
    • Propiedades mecánicas: Ofrecen resistencia en las cuatro direcciones, proporcionando una mayor flexibilidad y adaptabilidad que las fibras unidireccionales o bidireccionales.
    • Aplicaciones: Adecuadas para aplicaciones complejas donde se requiere resistencia omnidireccional, como en componentes estructurales complejos o en condiciones de carga variable.

En resumen, la elección entre fibras unidireccionales, bidireccionales y cuadriaxiales depende de las necesidades específicas de la aplicación.

Cómo diseñar una intervención de refuerzo con FRP

Las intervenciones con fibras reforzadas de carbono son relativamente nuevas. Por eso, diseñar intervenciones de refuerzo con esta técnica que cumplan con las normas técnicas de construcción puede resultar desafiante para los profesionales. Para trabajar de manera segura, puede ser de gran ayuda utilizar un software de cálculo estructural que permita gestionar completamente este tipo de intervenciones tanto para estructuras de mampostería portante como para estructuras de marco en hormigón armado.

A continuación, te presento algunos videos que muestran cómo proceder sin contratiempos.

El refuerzo con FRP de mampostería portante

Aquí te muestro cómo aplicar los refuerzos a las estructuras de mampostería.

El refuerzo con FRP de estructuras en hormigón armado

Así es como se diseñan los diferentes tipos de refuerzos en hormigón armado.

Instalación de fibras de carbono para el refuerzo estructural del nodo viga-pilar

Las fibras de carbono son clave en las intervenciones de consolidación estructural, utilizadas en combinación con resinas epoxi. La sinergia entre fibras y resinas constituye un sistema complejo que requiere el uso preciso de los «ingredientes» correctos y el cumplimiento de procedimientos específicos. Para realizar correctamente la aplicación de tejidos de fibra de carbono, es necesario seguir los pasos descritos a continuación:

Fases de la aplicación

  • Preparación del soporte a reforzar: para superficies de mampostería, quitar revestimientos y materiales que se desmoronen, obteniendo un soporte sano y compacto. Para elementos estructurales de hormigón armado, eliminar completamente el hormigón dañado y tratar los hierros sobresalientes, restaurando la sección del elemento estructural para obtener un soporte lo más liso y uniforme posible. Tanto para la mampostería como para las obras de hormigón armado, antes de proceder a la aplicación de los tejidos de carbono, es importante biselar los bordes del elemento a reforzar (logrando un radio de al menos 20 mm) para evitar daños y posibles roturas de la fibra de carbono. Después de esta operación, se puede realizar una reconstrucción utilizando morteros a base de cal o cemento.
  • Aplicación del primer: usar un primer epoxi en soportes secos y libres de polvo. El primer elimina el polvo residual, aumenta la resistencia de las superficies, favorece la adherencia posterior de la resina y previene el paso del agua.
  • Aplicación del adhesivo para el pegado estructural: esperar entre 6 y 36 horas después de la aplicación del imprimador para pasar a la siguiente fase de aplicación del adhesivo tixotrópico. Después del período de espera, aplicar una masilla epoxi bicomponente en el soporte con una espátula metálica para nivelar irregularidades;
  • Pegado del tejido de carbono: es una operación sencilla pero que requiere atención. Primero, es necesario presionar el tejido en la resina utilizando un rodillo metálico para evitar burbujas de aire, evitando daños en las fibras.
  • Impregnación del tejido de carbono: una vez finalizada la fase de pegado, se procede a la impregnación del tejido con resina epoxi bicomponente fluida, con pincel o rodillo. La operación debe realizarse lentamente y en varias etapas. Una vez completado el ciclo de aplicación, el sistema de refuerzo puede recubrirse con capas de acabado.

Pros y contras del uso de fibras de carbono en la construcción

En comparación con los métodos tradicionales de refuerzo estructural, las fibras de carbono destacan por su alta resistencia mecánica y el impacto mínimo de la intervención. Veamos detalladamente las ventajas y desventajas.

Ventajas

  • Altas prestaciones mecánicas: las fibras de carbono ofrecen una notable resistencia y rigidez, mejorando la capacidad de carga y la estabilidad de las estructuras.
  • Peso reducido: a pesar de sus propiedades mecánicas avanzadas, las fibras de carbono son ligeras, lo que contribuye a no aumentar el peso total de las estructuras reforzadas.
  • Resistencia a condiciones ambientales: las fibras de carbono son resistentes a la humedad y tienen bajo índice de absorción de agua, lo que las hace adecuadas para su uso en ambientes húmedos sin comprometer sus propiedades.
  • Resistencia a altas temperaturas: el carbono mantiene su resistencia a temperaturas elevadas, cumpliendo eficazmente con los requisitos de diseño contra incendios.
  • Flexibilidad de aplicación: las fibras de carbono pueden utilizarse en diversas formas, como barras, cintas y mallas, ofreciendo flexibilidad en el diseño y la aplicación.
  • Selectividad en la intervención: pueden aplicarse incluso en zonas seleccionadas como nodos individuales viga-columna, bóvedas o arcos debilitados que requieran intervenciones de consolidación de urgencia.
  • Invisibilidad de la intervención: los refuerzos estructurales de fibra de carbono tienen poco impacto visualmente porque se adaptan a cualquier forma.
  • Durabilidad: a diferencia del acero, son resistentes a la oxidación, lluvias ácidas y ambientes salinos, y su durabilidad es casi ilimitada.
  • Reversibilidad: las intervenciones con redes de fibra de carbono son reversibles en poco tiempo y con recursos mínimos.

Desventajas

  • Costes elevados: el coste de las fibras de carbono puede ser significativo en comparación con otros materiales de construcción, lo que afecta el presupuesto total del proyecto.
  • Diseño especializado: el diseño y la aplicación de fibras de carbono requieren habilidades especializadas, aumentando la complejidad del proceso.
  • Sensibilidad a la luz UV: las fibras de carbono pueden degradarse a largo plazo debido a la exposición a la luz ultravioleta, a veces requiriendo el uso de revestimientos protectores.
  • Sensibilidad a grietas existentes: si se aplican sobre superficies con grietas preexistentes, las fibras de carbono podrían no ser efectivas para prevenir su propagación.
  • Proceso de instalación complejo: la aplicación de fibras de carbono requiere procedimientos específicos y atención a los detalles, incluida la preparación del soporte y el uso de resinas epoxi, lo que aumenta la complejidad de la instalación.
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