Aplicaciones avanzadasd de los materiales compuestos en la obra civil y la edificación

307 Pages·2014·29.28 MB·Spanish

by  Marco A. Pérez

Aplicaciones avanzadas de los
materiales compuestos en la
obra civil y la edificación
Editado por:
Marco A. Pérez
1ª edición © 2014 OmniaScience (Omnia Publisher SL)
www.omniascience.com
DOI: htp://dx.doi.org/10.3926/oms.210
ISBN: 978-84-941872-9-2
DL: B-12444-2014
Diseño cubierta: OmniaScience
Fotografa cubierta: © arsdigital - Fotolia.com
Prólogo
Estelibropresentaunapanorámicadelestadoactualdelosmaterialescompuestosysus
aplicacionesmásrelevantesenlaobracivilylaedificación.
Ciertamentelosmaterialescompuestoshantenidoundesarrolloextraordinarioenlosúl-
timos años, motivado principalmente por la necesidad de fabricar elementos estructurales
másligerosyconbuenacapacidadresistenteenelsectoraeronáutico,asícomoenvehículos
terrestresyenlasindustriasdelautomóvilydelferrocarril.
Las aplicaciones de los materiales compuestos en la ingeniería civil y la edificación son
más recientes, aunque su utilización crece rápidamente debido a sus excelentes propieda-
des mecánicas, su resistencia a la corrosión, su menor peso y la flexibilidad de su uso para
proyectarnuevastipologíasestructuralesyparareparacióndeestructurasdeterioradas.
Pese a esa evidencia, es paradójico que la formación de ingenieros especialistas en el
cálculoyproyectodeestructurasconmaterialescompuestosesbaja.Lamayorpartedelos
contenidosdemecánicaestructuralencursosdegradosefocalizanenmaterialesmásclási-
cos,comoelhormigónyelacero,dejandolasmateriasquetratanlosmaterialescompuestos
paracursosdepostgrado,tipoMásterosimilares.Claramenteestedéficitformativotieneque
corregirse en los próximos años, con el objetivo de que los graduados en ingeniería civil y
enelámbitodelaedificacióntenganalmenosunconocimientogeneralyclarodelascarac-
terísticasbásicasdelosmaterialescompuestos,desusexcelentespropiedadesmecánicas,de
los métodos generales de cálculo y del potencial de su aplicación en el proyecto de nuevas
construccionesyedificios,asícomoenreparacióndeestructuras.
Portodoloanteriorconsideroestelibroparticularmenteútilyoportuno.Enlosdiversos
capítulos,escritosporespecialistasencadatema,seexponeunavisióngeneraldelascarac-
terísticasfundamentalesyelpotencialdelosmaterialescompuestosmásusualesenlaobra
civilylaedificación.
Eltextoseiniciaconuncapitulosobrelaevolucióndelhormigón,elmaterialcompuesto
másantiguoypopulardelahistoriadelaconstrucción,paraseguidamentetratardiferentes
aspectos de los Fiber Reinforced Polymers (FRP) y del Textile Reinforced Mortar (TRM),
ambosdegranutilidadparaelrefuerzodeelementosestructurales(vigas,placas,láminas)y
murosdeobradefábrica.Trasellosepresentandoscapítulosenlosqueseestudiadeforma
experimentalyanalíticaelcomportamientoadherentedelosmaterialesFRPcomorefuerzo
estructuraldelhormigón,ylossistemasdeanclajeparatendonesdepretensadodeFRP.
i
OtrocapituloestudiaelcomportamientodevigashíbridasdePultrudedFiberReinforced
Polymer (PFRP). Finalmente los dos últimos capítulos presentan, respectivamente, una pa-
norámicadelcálculodeestructurasdematerialescompuestosutilizandolateoríademezclas
yelmétododeelementosfinitos,yunprocedimientoparapredecireldeterioroenestructuras
reforzadasconFRPsometidasaaccionesestáticasydinámicas.
El contenido del libro es un balance equilibrado de los aspectos fenomenológicos del
comportamiento y propiedades de los materiales compuestos (en particular los basados en
FRP y TRM), de sus aplicaciones en la ingeniería civil y la edificación y de los métodos
de cálculo para evaluar la capacidad resistente y el fallo de las estructuras de materiales
compuestos.
Felicito al Dr. Marco Antonio Pérez, también autor de un excelente capítulo, por la ini-
ciativadecompilarestelibro,queindudablementeserámuybienrecibidoporestudiantesde
grado y postgrado en el ámbito del análisis estructural, así como por los profesionales que
trabajanenelproyecto,construcciónymantenimientodeestructuras.
EugenioOñate
CatedráticodeMecánicadeMediosContinuosyTeoríadeEstructuras
UniversidadPolitécnicadeCataluña
Barcelona,Juniode2014
ii
Prefacio
La tecnología de los materiales compuestos se ha desarrollado extensamente durante las
últimascincodécadas,ysuusohaexperimentadounincesanteincrementoendiversossec-
tores,entrelosquedestacanmásrecientementelaobracivilylaedificación.Lasexcelentes
propiedades mecánicas, como la alta rigidez y resistencia específica, unidas a la resistencia
alacorrosión,latrabajabilidad,y,sobretodo,laposibilidaddeadaptarlosparasatisfacerre-
querimientos específicos de diseño, los han situado en una posición ventajosa frente a los
materiales estructurales convencionales. Los materiales compuestos, en concreto los Fiber
ReinforcedPolymers(FRP),seestánutilizandoconéxitotantoenlaconstruccióndenuevas
estructuras –generalmente en combinación con el hormigón–, como en el refuerzo o la re-
paracióndeconstruccionespreexistentes.Noobstante,elactualmarconormativoqueregula
el uso de la tecnología es ciertamente limitado. Con las nuevas aplicaciones han emergido
nuevosproblemas.Porconsiguiente,serequierenestudiosqueaportennuevosconocimien-
tosquepermitanestandarizarlasmetodologíasdecálculo,diseñoyejecución,garantizando
asíunusoapropiadodeestatecnologíaenconstantedesarrollo.
Elpropósitodeestaobraesaportarunavisiónglobaldelestadoactualdelatécnicaylos
recientesdesarrollossobrelaaplicabilidaddelosmaterialescompuestosenlaobracivilyla
edificación.Ellibrorecogeunacoleccióndetrabajosdeinvestigacióndeexpertosnacionales
e internacionales, que abordan los retos actuales y futuros en este campo, proporcionando,
a través de una amplia variedad de casos de estudio, una hoja de ruta con las habilidades
técnicas y los conocimientos prácticos necesarios para el empleo de materiales compuestos
en nuevas aplicaciones. Escrito por profesionales e investigadores con experiencia en este
campo, este libro pretende ser un texto de referencia para los no iniciados en la temática y
unaherramientadeestudioeinvestigaciónparalectoresdenivelesmásavanzados.
Lostextosson–enlamedidadeloposible–autocontenidosensuspartes,permitiendouna
lecturaacordealinterésparticulardecadalector.Enellossepresentanfundamentostécnicos,
resultadosdeinvestigaciones,yserevisanycompilanreferenciasbibliográficasactualizadas
quecomplementanypermitenallectoradquirirunconocimientomásprofundodelostemas
expuestos,encaminándolohaciaposiblesfuturaslíneasdeinvestigación.
El libro está compuesto por once capítulos. Los tres primeros constituyen una introduc-
ciónenlaqueinicialmentesepresentaunabrevereseñahistóricaacercadelaevolucióndel
hormigón,acontinuaciónseexponenlosfundamentosdelamecánicadelosmaterialescom-
iii
puestosyfinalmenteseintroducenloscriteriosdediseñobásicosparaelrefuerzoenflexión
ycortanteconFRPdeacuerdoalosplanteamientosdelaFIB(InternationalFederationfor
StructuralConcrete).LossiguientestrescapítulosabordanelestudiodelusodelTRM (Tex-
tileReinforcedMortar)paraelrefuerzoaflexiónycortantedevigasdehormigónarmado,y
paraelrefuerzodemurosdeobradefábrica,respectivamente.Enelséptimocapítuloseeva-
lúaexperimentalmenteelcomportamientoadherentedelrefuerzodeestructurasdehormigón
mediante materiales FRP insertados en el recubrimiento (Near-Surface Mounted o NSM).
Eloctavocapítulosecentraenelanálisisexperimentalyanalíticodelossistemasdeancla-
je para tendones de pretensado de FRP. En el capítulo nueve se analiza el comportamiento
a flexión y cizalladura de vigas híbridas de PFRP (Pultruded Fiber Reinforced Polymer) y
hormigónarmado.Finalmente,losdosúltimoscapítuloscubrenaspectosrelacionadosconla
simulaciónnumérica,comosonelanálisisno-linealdelmaterialmediantelateoríademez-
clas serie-paralelo, y el análisis numérico de la reparación y el refuerzo de estructuras con
FRP.
Lostrabajosdeinvestigaciónquehandadolugaralosdiferentescapítulosqueconforman
estelibro,sonfrutodelinterésmutuouniversidad-empresaeneldesarrollodelatecnologíay
latransferenciadelconocimientoalaindustria.Porello,sequieredejarconstanciadelagra-
decimiento por el apoyo recibido de las instituciones públicas y privadas para el desarrollo
delosdiferentesproyectosdeinvestigación.
MarcoA.Pérez
Barcelona,Mayode2014
iv
Listado de autores y colaboradores
AlexH.Barbat DepartamentdeResistènciadeMaterialsiEstructuresal’Enginyeria
CentroInternacionaldeMétodosNuméricosenIngeniería(CIMNE)
UniversitatPolitècnicadeCatalunya-BarcelonaTech,España
ErnestBernat-Maso DepartamentdeResistènciadeMaterialsiEstructuresal’Enginyeria
LaboratoriperalaInnovacióTecnològicad’EstructuresiMaterials(LITEM)
UniversitatPolitècnicadeCatalunya-BarcelonaTech,España
ChristianEscrig DepartamentdeResistènciadeMaterialsiEstructuresal’Enginyeria
LaboratoriperalaInnovacióTecnològicad’EstructuresiMaterials(LITEM)
UniversitatPolitècnicadeCatalunya-BarcelonaTech,España
LluísGil DepartamentdeResistènciadeMaterialsiEstructuresal’Enginyeria
LaboratoriperalaInnovacióTecnològicad’EstructuresiMaterials(LITEM)
UniversitatPolitècnicadeCatalunya-BarcelonaTech,España
PelloLarrinaga DepartamentodeConstrucciónSostenible
TECNALIA,ParqueCientíficoyTecnológicodeBizkaia,España
IgnacioMarcos DepartamentodeIngenieríaMecánica
EscuelaUniversitariadeIngenieríaTécnicaIndustrialdeBilbao
UniversidaddelPaísVasco,España
XavierMartínez CentroInternacionaldeMétodosNuméricosenIngeniería(CIMNE)
UniversitatPolitècnicadeCatalunya-BarcelonaTech,España
MaritzabelMolina DepartamentodeIngenieríaCivilyAgrícola
UniversidadNacionaldeColombia
LizNallim UniversidadNacionaldeSalta,Argentina
CatalinAndreiNeagoe DepartamentdeResistènciadeMaterialsiEstructuresal’Enginyeria
LaboratoriperalaInnovacióTecnològicad’EstructuresiMaterials(LITEM)
UniversitatPolitècnicadeCatalunya-BarcelonaTech,España
TechnicalUniversityofCivilEngineeringBucarest,Rumanía
SergioOller DepartamentdeResistènciadeMaterialsiEstructuresal’Enginyeria
CentroInternacionaldeMétodosNuméricosenIngeniería(CIMNE)
UniversitatPolitècnicadeCatalunya-BarcelonaTech,España
v
MarcoA.Pérez DepartamentdeResistènciadeMaterialsiEstructuresal’Enginyeria
LaboratoriperalaInnovacióTecnològicad’EstructuresiMaterials(LITEM)
UniversitatPolitècnicadeCatalunya-BarcelonaTech,España
FrancescPuigvert DepartamentdeResistènciadeMaterialsiEstructuresal’Enginyeria
LaboratoriperalaInnovacióTecnològicad’EstructuresiMaterials(LITEM)
UniversitatPolitècnicadeCatalunya-BarcelonaTech,España
FernandoRastellini CentroInternacionaldeMétodosNuméricosenIngeniería(CIMNE)
QuantechATZ,Barcelona,España
CarlesRomea DepartamentdeResistènciadeMaterialsiEstructuresal’Enginyeria
UniversitatPolitècnicadeCatalunya-BarcelonaTech,España
MontserratSánchez DepartamentdeResistènciadeMaterialsiEstructuresal’Enginyeria
LaboratoriperalaInnovacióTecnològicad’EstructuresiMaterials(LITEM)
UniversitatPolitècnicadeCatalunya-BarcelonaTech,España
JoséT.San-José DepartamentodeIngenieríaMinerayMetalúrgicayCienciadelosMateriales
EscuelaTécnicaSuperiordeIngenieríadeBilbao
UniversidaddelPaísVasco,España
IbrahimSharaky AnàlisiiMaterialsAvançatsperalDissenyEstructural(AMADE)
EscolaPolitècnicaSuperior,UniversitatdeGirona,España
MaterialsEngineeringDepartment,ZagazigUniversity,Egipto
LluísTorres AnàlisiiMaterialsAvançatsperalDissenyEstructural(AMADE)
EscolaPolitècnicaSuperior,UniversitatdeGirona,España
JuanCarlosVielma UniversidadCentroccidentalLisandroAlvarado,Venezuela
vi
Índice general
1. Elhormigón:brevereseñahistóricadeunmaterialmilenario 1
1.1. Elyeso,unantecedenteMediterráneo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Laromanización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3. Eldeclivemedieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4. ElcementoPortlandentraenacción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5. Elhormigónarmadocomienzasumarcha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.6. Épocaclásicadelhormigón:1910-1940 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7. Elhormigónsetensa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.8. Losnuevoshormigones:largavidaalhormigón . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.9. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.10.Líneasfuturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Bibliografíaseleccionada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2. Fundamentosdelamecánicadelosmaterialescompuestos 19
2.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2. Generalidadessobrelasrelacionestensión-deformación . . . . . . . . . . . . 21
2.3. Análisisenlamicroescala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4. Análisisenlamesoescala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.1. Evaluacióndelarigidezdelalámina . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.2. Efectoshigrotérmicosenlalámina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.3. Evaluacióndelaresistenciadelalámina. . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5. Análisisenlamacroescala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5.1. Evaluacióndelarigidezdellaminado . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.5.2. Efectoshigrotérmicosenellaminado . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.5.3. Evaluacióndelaresistenciadellaminado . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.6. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.7. Líneasfuturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Bibliografíaseleccionada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3. ElrefuerzodeestructurasdehormigónconlaminadosdeFRPsegúnlaFIB 51
3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
vii