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Análisis comparativo del comportamiento estructural en flexión entre Vigas reforzadas
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Dr. CANCHO ZÚÑIGA GERARDO ENRIQUE Ms. GARCIA URRUTIA OLAVARIA, ROQUE JESUS LEONARDO Ms. TABORY MALPARTIDA GUSTAVO AUGUSTO
LIMA – PERÚ
Aprovechar este espacio para agradecer a mis padres: Glicerio Vila Vargas y Rufina Carbajal Rojas; por su apoyo incondicional en todo el tiempo de mi etapa universitaria, así mismo en desarrollo de este trabajo de investigación. Sin su apoyo hubiese sido difícil la culminación de ese trabajo.
A mis hermanas: Flora, Yesela y Miriam, por sus consejos y motivaciones para cumplir mis metas trazadas.
A mi asesor ing. Tello Malpartida, Omart Demetrio por su continuo apoyo y tutela. Sus enseñanzas, consejos y experiencias profesionales han hecho posible la realización de este trabajo de investigación.
A mis amigos que, en distintas formas directas e indirectas, apoyaron al desarrollo de este trabajo de investigación.
Gráfico 1. Diagrama Momento-Curvatura de la viga reforzada con acero en tensión y compresión........................................................................................................................... 70 Gráfico 2. Diagrama Momento-Curvatura de la viga reforzada con GFRP en tensión y compresión........................................................................................................................... 72 Gráfico 3. Diagrama Momento-Curvatura de la viga reforzada con GFRP en compresión y acero en tensión. .................................................................................................................. 74 Gráfico 4. Diagrama Comparativo de Momento-Curvatura. .............................................. 75 Gráfico 5. Diagrama esfuerzo-deformación en tensión del concreto en vigas reforzadas con acero, GFRP y GFRP-acero................................................................................................. 77 Gráfico 6. Diagrama esfuerzo-deformación a compresión del concreto en vigas reforzadas con acero, GFRP y GFRP-acero. ......................................................................................... 78 Gráfico 7. Fuerza-Deflexión de viga doblemente reforzado con acero. ............................. 83 Gráfico 8. Fuerza-Deflexión de viga doblemente reforzado con GFRP. ........................... 86 Gráfico 9. Fuerza-Deflexión de viga doblemente reforzado con GFRP y acero. ............... 89 Gráfico 10. Fuerza-Deflexión de viga doblemente reforzado. ........................................... 91
The main objective of this work is to develop a comparative analysis of the structural behavior between beams reinforced with glass rods against those reinforced with conventional steel, taking as reference the point of flexion. It is pertinent to mention that the focus of the study is quantitative, the design is non-experimental, based on a systematic bibliographical review, on pages such as Dialnet, Google academic, Miguel Cervantes, Renati, etc. Among the most relevant research is Almada, Bárcena and Enciso (2015), for the calculation of curvature memento and Almerich (2010). the analysis of instantaneous deflection of the beam, according to Branson's equations. This equation provides a deflection very close to the experimental deflection, which is why it has been incorporated into the ACI norms. Among the most relevant conclusions is In relation to ductility. It can be mentioned that when observing and analyzing the graph it can be concluded that, in the two beams reinforced with GFRP in tension, the element fails due to breakage of the concrete, but not due to breakage of the GFRP bars. Then the ratio quantum / amount balanced> 1 is fulfilled, the failure is given by breakage of the concrete. In relation to the deformation stress, the beam reinforced with GFRP (tension and compression) is the one that bears the lowest load until reaching the breaking point of the concrete (ɛc = 0.003). So it can be concluded that GFRP rods in compression is not a good element to reinforce a beam. The deflection calculated by the Branson equation and the experimental made by Almerich (2010), in a beam double reinforced with GFRP, they are very close to each other, therefore, the deflection design and analysis carried out in this thesis is valid.
Keywords: structural behavior, beams reinforced with glass rods and beams reinforced with conventional stee
Desde el pasado, el tema de la construcción de obras ha estado en constante observación y cuestionamiento, teniendo presente la resistencia y durabilidad de las estructuras. De allí pues, que los materiales sean centro de atención y evolución a través del tiempo. En un principio se trabajaba con materiales rudimentarios, a los cuales se tenía acceso en el momento. En la medida que el tiempo avanza se incorporan nuevos materiales, como ladrillos, maderas, piedras calizas y mármol, los cuales se encuentran en las grandes estructuras como: coliseos, ciudades y estructuras emblemáticas de esas épocas. En las últimas décadas, esta realidad evoluciona a pasos agigantados, las edificaciones responden a las exigencias y demandas actuales; en efecto, la ingeniería civil forma parte de esta evolución, debe entonces estar en una busca constante de nuevas tecnologías y materiales para garantizar, no solo obras modernas, también se busca la resistencia y durabilidad en el tiempo. Dentro de estos avances, se puede mencionar la incorporación de nuevos materiales al área de la construcción, por ejemplo, como refuerzo para el concreto surgió el acero. De acuerdo con Almerich (2010): Los rápidos avances en la tecnología de los materiales de construcción han permitido a los ingenieros civiles obtener impresionantes ventajas en la seguridad, la economía y la funcionalidad de las estructuras construidas para servir a las necesidades de la sociedad, mejorando el nivel de vida de las personas (p. 3). Ante esta visión de la realidad, que combina seguridad, economía y funcionabilidad de las estructuras, el acero a ser cuestionado. Evidentemente, se plantea la utilización de nuevos materiales, que por su composición den respuesta a las necesidades existentes; además de ser más rentable y eficaz. Dentro de las desventajas de la utilización del acero, está la corrosión la cual ha sido considerada una reacción química desfavorable en los materiales.
La formulación del problema, permite al investigador centrarse en el tema a investigar, en este caso en particular, se enfatiza los problemas que, a través del tiempo de utilización en la construcción ha presentado el acero convencional. Resaltando que, en vigas de concreto, presenta altos niveles de corrosión, las cuales aumentan en ambientes agresivos. Partiendo de las consideraciones anteriores, se plantea incluir otros materiales alternativos, que puedan sustituir al acero convencional, pero que, además, presenten mejores características físicas, mecánicas y químicas. Dentro de los nuevos materiales, emergen las varillas de plástico reforzada con fibra de vidrio, asumiéndolas como una alternativa viable, que posee también, muchas ventajas debido a su bajo costo, alta resistencia en trabajos que requieran flexión e inmune a la corrosión. Finalmente, se puede mencionar que la investigación se enfoca en el estudio no experimental comparativo del comportamiento estructural en flexión, entre vigas reforzadas con varillas de vidrio frente a las reforzadas con acero.
1.1.1 Realidad problemática
Al hablar del concreto armado, es indispensable mencionar las vigas, las cuales contribuyen a soportar las cargas en flexión. Es necesario mencionar que el acero, se viene utilizando en las obras, debido a su alta resistencia a tensión. Sin embargo, este material presenta ciertas propiedades que afectan directamente su adherencia con el concreto, al momento de corroerse. El efecto de la corrosión también se le denomina exfoliación, está relacionada con la perdida de capas o laminas; además, se presenta la reducción de área transversal del acero, también conocido como delaminación, ambos efectos afectan la capacidad de soporte de la estructura. Esta realidad se presenta desde hace muchos años, lo que ha permitido realizar
investigaciones para encontrar otras alternativas que ofrezcan mejores características físicas, químicas y mecánicas. Siendo, más económicas y sustentables, es así como surge la fibra de vidrio, resaltando su peso, alta resistencia física, además de ser inmune a la corrosión. Teniendo como referencia lo antes mencionado, se puede afirmar que las características mecánicas de las vigas reforzadas con fibras de vidrio requieren ser observadas y evaluadas; además, de comparadas con las de acero. Para aportar resultados que permitan comprender el comportamiento del esfuerzo de compresión y tensión del concreto, la flexión, entre otros.
1.1.2 Problema general y específico Problema general. ¿Cuál será el análisis comparativo del comportamiento estructural en flexión, entre vigas reforzadas con varillas de vidrio frente a las reforzadas con acero? Problemas específicos. ¿De qué manera las vigas reforzadas con varillas de vidrio en relación a la ductilidad, tendrán mejor comportamiento estructural en flexión frente a las vigas reforzadas con acero convencional? ¿Cuál será el esfuerzo de compresión y tensión del concreto en vigas reforzadas con varillas de vidrio y las reforzadas con acero convencional, frente la viga reforzado con acero y GFRP? ¿Cuál será la deflexión de vigas reforzadas con varillas de vidrio y las reforzadas con acero convencional, frente la viga reforzado con acero y GFRP? ¿Cuáles serán los costos estimados de cotización y traslado de varillas GFRP, para su incorporación en las obras de construcción?
deformación; dando como resultado que la varilla de fibra de vidrio presenta una curva esfuerzo deformación distinta a la del acero. En los ensayos mencionados anteriormente la varilla de vidrio de 12mm de diámetro presento características muy inferiores a la del acero; las únicas que lograron tener un comportamiento superior a la del acero fueron las de 6 y 8mm de diámetro. En las varillas de fibras de vidrio se apreció un comportamiento sumamente interesante, y es que al momento de quitar la carga de compresión la varilla retomo su forma original, pero presentando pequeñas fisuras; todo lo contrario, al acero. La varilla de fibra de vidrio tiene un cierto ángulo de restricción de más o menos 60 grados, el cual cuando es superado ésta se rompe y es que por ser un material muy rígido que no permite dobleces muy altas. Ante el análisis a flexión las vigas presentaron una flecha mayor a la calculada; en la del acero la deformación de la viga sobrepaso con unos 3mm, y en las vigas de fibra de vidrio la deformación sobrepaso con unos 10mm aproximadamente, esto se debe a que el módulo de elasticidad de la varilla de fibra de vidrio es muy bajo. El análisis respectivo de las columnas como de las vigas se realizó con las fórmulas del acero; sin embargo, estas no se acoplaron a la varilla de fibra de vidrio debido a que en los ensayos presentaron diferencias en carga y deformación; en la carga soportó entre el 10-15% más que la calculada y en deformaciones un 8% más. La adherencia de la varilla de fibra de vidrios resulto ser baja, por lo que en el análisis a flexión ésta presento desplazamiento en la viga; además, sus corrugas se desprendieron cuando la carga estaba cerca del 90% generando una adherencia baja entre la varilla y el concreto. La varilla de fibra de vidrio con la que se trabajó es de origen ruso, la cual sostiene el mismo comportamiento que la española analizada en la bibliografía leída para el presente
trabajo; pero esta varilla española se diferencia ya que si permite su doblez. De esta investigación, se puede extraer datos muy importantes como las características físicas y mecánicas de las varillas GFRP (6mm, 8mm y 12mm), así tener amplio conocimiento del material próximo a estudiar como refuerzo de las vigas armadas. El resumen de los ensayos realizados es: Tabla 1. Datos de Ensayo a tensión de GFRP de 6,8 y 12mm Varilla GFRP Carga de Rotura (KN) Elasticidad (Kg/cm^ Módulo de (^2) )^ Límite de fluencia (kg/cm (^2) ) 6 26.46 1251670.00 9875. 8 41.22 943550.00 8675. 12 46.99 494209.00 4250. Fuente: Rivadeneira (2017). Tabla 2. Datos de Ensayo a compresión de GFRP de 6,8 y 12mm Varilla GFRP Carga de Rotura (KN) Esfuerzo a compresión (Kg/cm (^2) ) 6 10.75 37. 8 17.32 33. 12 19.54 16. Fuente: Rivadeneira (2017).
Núñez (2017), en su trabajo de investigación titulado: Diseño a flexión de vigas de concreto armadas con refuerzo combinado de acero y PRFV (refuerzo híbrido). El concreto armado es uno de los materiales más empleados en la construcción, las barras de polímeros reforzados con fibras (PRF) como refuerzo del mismo se han convertido en una alternativa viable para garantizar una mayor resistencia y durabilidad en las estructuras debido a su bajo peso y a su alta resistencia a la corrosión. Sin embargo, estas presentan una significativa fragilidad, por lo que se han tomado alternativas como incluir barras de acero a la armadura bajo el concepto de un refuerzo híbrido capaz de aprovechar las ventajas que brindan cada uno de estos materiales y aumentar la ductilidad de los elementos.
de las áreas de refuerzo (acero y PRFV) en vigas de concreto armado. Los estudios realizados por el autor, nos ayuda a comprender el comportamiento del acero y del PRFV como refuerzos en el concreto armado. Resaltando entre sus conclusiones, para el diseño mixto de concreto armado lo siguiente: Considerar el acero cuantías menores que la balanceada, así garantizar que las barras de acero entren en fluencia antes del fallo del elemento, así mismo para el PRFV asignar cuantías mayores que la balanceada, para que las barras de vidrio no alcancen su máxima deformación.
Rivadeneira (2016), en su tesis titulada: Correlación entre vigas de concreto armadas con varillas de acero y con varillas de fibra reforzada con polímero FRP sometidas a esfuerzos de flexión en los tercios del claro. Hasta la fecha se conoce al acero como único material de refuerzo del concreto armado, a pesar de su vulnerabilidad a la corrosión. Esta investigación tiene como objetivo analizar el uso de la Fibra Reforzada con Polímero (FRP) como una alternativa al acero en el concreto armado sometido a esfuerzos de flexión, por tal razón, el desarrollo de la investigación se la hizo mediante la construcción tres tipos de especímenes, los cuales son de concreto simple y de concreto armado con varillas de acero y con varillas de fibra de vidrio reforzada con polímero de igual diámetro. La investigación pretende analizar las características que brinden los dos materiales como refuerzo del concreto armado, para lo cual, al ser ensayados los especímenes, se obtuvo la carga máxima para el cálculo del Módulo de Rotura correspondiente. Mientras se desarrollaba el ensayo de las vigas, se llevó un control de la carga en la cual apareció la primera fisura en la superficie traccionada de las vigas. Mediante el Módulo de Rotura, se realizó una comparación, obteniéndose un índice de aporte a la resistencia del concreto armado sometido a dicha solicitación, el resultado refleja que, gracias a la alta resistencia a
la tensión del GFRP, este aporta con una resistencia mayor que el acero, marcando una diferencia significativa y gracias al control llevado de las cargas se verificó el aporte adherente entre el concreto y el refuerzo, resultado que reflejó que el GFRP trabajó con una adherencia Concreto-Refuerzo menor que el acero. Dentro de las conclusiones destaca: El uso de las varillas de GFRP como refuerzo del concreto armado mejora las condiciones de este sometido a esfuerzos de flexión, obteniéndose un Módulo de Rotura de 14,43 MPa, mientras que, el Módulo de Rotura del concreto armado con varillas de acero es de 12,81 MPa. Mediante los ensayos realizados, se demuestra que los dos materiales de refuerzo aportaron resistencia al concreto sometido a esfuerzos de flexión, siendo el acero quien aporta con una mayor resistencia al concreto en edades iniciales y a partir de que el concreto se acerca a la edad en la cual alcanza la resistencia a la compresión de diseño, el GFRP es quién brinda un mayor aporte ante los esfuerzos de flexión. Se realizó el análisis económico utilizando los dos materiales como refuerzo del concreto armado, en el cual, se demuestra mediante la Tabla 12, que el acero sigue siendo el material idóneo para su uso, debido a que, tiene un mejor costo por MPa alcanzado. Por la resolución de la investigación, se demuestra que, el aporte GFRP como material de refuerzo al concreto armado sometido a esfuerzos de flexión, favorece al desarrollo de la ingeniería civil gracias a su aporte a dichas solicitaciones, debido a su rigidez y alta resistencia a la tensión, demostrado tras la realización de los ensayos de rotura de vigas. Esta investigación aporta datos importantes, en la elaboración de mi investigación, como en la Tabla 3:
