Estudio con elementos finitos de una viga de hormigón armado reforzada a flexión con laminado de material compuesto

En los recientes años la necesidad de reparar o reforzar estructuras existentes deterioradas o dañadas ha sido uno de los campos más importantes en la ingeniería civil. Esta necesidad es fruto de una disminución de la rigidez o de la capacidad resistente de la estructura debido a diversos factores: cambio de uso de la estructura, deterioro de los materiales, acciones accidentales, errores de diseño o de ejecución, etc. Tradicionalmente para elementos sometidos a esfuerzos de flexión se ha utilizado el sistema de chapas encoladas de acero, pero en estos últimos años se han introducido los materiales compuestos como forma de refuerzo debido a importantes ventajas que poseen frente al acero. La ventaja más importante son sus mayores relaciones resistencia/peso y rigidez/peso que las del acero, lo que facilita su colocación reduciendo los costes y plazos de ejecución. Los laminados de fibra de carbono son un tipo de material compuesto y son los mas usados para el refuerzo a flexión de vigas de hormigón armado. Mediante un adhesivo, que generalmente es una resina epoxi, se aplican en la cara inferior de la viga aumentando la capacidad última y la rigidez de ésta. Sin embargo, se han observado una serie de fenómenos locales tales como la concentración de tensiones normales y tangenciales en el extremo del laminado, o la aparición de fuerzas de distorsión en las fisuras de cortante debido a un desplazamiento relativo entre los labios de la fisura. Estos fenómenos producen el colapso frágil de la estructura antes de alcanzarse la resistencia última de la viga. Los esfuerzos localizados provocan una concentración de tensiones en el hormigón superficial provocando el arranque y el correspondiente desprendimiento del laminado. Cuando de desprende el laminado entrono a las fisuras de cortante hablamos del “Peeling” y fue muy presente en la campaña experimental que se realizó en el laboratorio de estructuras de la UPC entre junio y noviembre del 2000. No existe en la literatura ninguna formulación para tener en cuenta de una manera adecuada el “Peeling”, existen sólo algunas recomendaciones a tener en cuenta para comprobar que el fenómeno no se produce, pero dichas recomendaciones no se cumplieron en la campaña experimental. Se plantea entonces realizar un análisis en elementos finitos de las vigas ensayadas en laboratorio para conocer mejor los efectos del esfuerzo de cortante en una fisura en el hormigón. Aprovechando el empleo de elementos finitos se han contrastado resultados numéricos con formulaciones analíticas propuestas para determinar las tensiones de interfase entre hormigón y laminado que aparecen en el extremo del laminado. Modelizamos las vigas ensayadas con un análisis en deformación plana. Se modelizan tres vigas para poder determinar los efectos del esfuerzo cortante cuya diferencia entre ellas es la existencia de una fisura vertical y la posición dentro de la viga. Estudiamos el caso de una carga en centro de luz y el caso de dos cargas a la misma distancia del apoyo de manera que en la fisura tenemos sólo un momento y así podemos ver el efecto del cortante. Finalmente concluimos que efectivamente el cortante tiene efectos desfavorables frente al fallo del hormigón cerca de la fisura y podemos ver el efecto que tiene el cortante sobre las tensiones en el hormigón. Los resultados numéricos de las tensiones en el extremo del laminado se corresponden bastante bien con los analíticos de las formulaciones propuestas por Malek et al.