Avances en el diseño de columnas reforzadas con barras GFRP de refuerzo

A finales de 2019 se publicó una revisión de la literatura internacional sobre columnas armadas con barras de polímeros reforzadas con fibras de vidrio (GFRP: Glass Fiber Reinforced Polymer rebars). Un área de investigación y desarrollo (R&D) de la ingeniería civil que ha estado en el centro de su atención durante los últimos 20 años.

Las conclusiones que extraemos del informe proceden de 60 investigaciones analíticas y experimentales orientadas a entender y evaluar el desempeño de las barras GFRP de refuerzo en más de 600 columnas de concreto bajo compresión axial.

Hace cerca de 40 años, centros de investigación, laboratorios, gobiernos y fábricas se trazaron como objetivo alcanzar una solución de refuerzo no metálico del concreto que eliminara la formación de arcos y campos electromagnéticos, especialmente para estructuras que albergarían equipos eléctricos, electrónicos, nucleares o de telecomunicaciones. La solución provino del desarrollo revolucionario de los materiales compuestos avanzados, cuyas características químicas y mecánicas eliminaron el problema, elevaron hasta tres veces más la resistencia a la tensión del refuerzo y, por si fuera poco, desterraron la posibilidad de corrosión procedente del refuerzo tradicional en acero. Un nuevo paradigma del concreto reforzado, en resumen.

Los doctores en ingeniería civil Ahmed Hassanein, Khaled Mohamed y Brahim Benmokrane, de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Sherbrooke en Quebec, Canadá, destacan en el informe la importancia que tiene para los ingenierios civiles mantenerse al tanto sobre los resultados de las investigaciones de punta en el campo de los refuerzos en FRP. Razón por la cual, afirman, los enfoques y las provisiones de diseño se encuentran en permanente evolución, lo cual se refleja en cada ciclo de actualizaciones de los estándares de talla internacional respectivos.

En esta oportunidad, los cambios son significativos, y muy positivos, en torno a las prescripciones para calcular la resistencia y el comportamiento de las columnas o miembros a compresión reforzados con barras GFRP, tipo V-ROD^®.

Las conclusiones son las siguientes:

1.) En términos generales, el comportamiento de las columnas reforzadas con barras GFRP bajo cargas concéntricas y excéntricas es similar a aquellas reforzadas con barras de acero convencionales, en términos de la relación carga-deformación y modos de falla.

2.) Las barras GFRP de refuerzo contribuyen a la capacidad de compresión de columnas cortas en un promedio del 10%; en comparación con columnas no reforzadas, lo cual está cerca a la contribución del acero del 12%.

3.) A grandes excentricidades de carga, las columnas reforzadas con barras GFRP exhiben capacidades de transporte de carga casi iguales o ligeramente superiores; en comparación con aquellas reforzadas con acero, según las mismas relaciones de refuerzo. Esto se atribuye a las altas tensiones que desarrollan las barras GFRP a límite último, lo que resulta en una alta contribución a la capacidad de las barras GFRP en tensión.

4.) Las columnas delgadas reforzadas con barras GFRP y cargadas concéntricamente exhiben capacidades similares o superiores a aquellas columnas reforzadas con acero. A grandes excentricidades, el rendimiento de ambos tipos de columnas se rige por la estabilidad de las columnas, en lugar de ser por el tipo de su refuerzo longitudinal.

5.) Como ocurre con las columnas reforzadas con acero, la ductilidad de las columnas reforzadas con GFRP se rige por el tipo de concreto utilizado y la relación de refuerzo. De manera más notable, por la relación volumétrica y el tipo de refuerzo transversal. La ductilidad de las columnas reforzadas con barras GFRP es generalmente más baja que la de las columnas reforzadas con acero bajo carga concéntrica, pero es más alta con excentricidades de alta carga.

6.) Las columnas reforzadas con barras GFRP probadas bajo cargas cuasi estáticas alcanzan relaciones de deriva lateral más altas que las desviaciones estimadas de acuerdo con la mayoría de los códigos de construcción. El aumento de la relación de refuerzo longitudinal aumenta la capacidad lateral de las columnas pero da como resultado una baja deformabilidad en caso de falla.

7.) Se encontró que el confinamiento proporcionado por estribos cerrados y espirales de GFRP era significativamente eficiente para confinar columnas de concreto bajo diferentes niveles de excentricidades al evitar el pandeo de las barras de GFRP y retrasar el aplastamiento del núcleo de concreto hasta la falla.

8.) Para columnas cargadas lateralmente, la resistencia general y la ductilidad de las columnas confinadas con estribos cerrados y espirales de GFRP fueron similares a las confinadas con acero. El refuerzo transversal de acero proporciona un confinamiento efectivo al núcleo en las primeras etapas; sin embargo, cuando el acero comienza a ceder, el confinamiento es menos efectivo. En consecuencia, se encontró que las columnas diseñadas apropiadamente con refuerzo híbrido eran adecuadas para la resistencia sísmica, mostrando una excelente ductilidad. El incremento de la resistencia a la flexión y de los parámetros de ductilidad está significativamente influenciado por la configuración de refuerzo.

9.) Las ecuaciones de diseño que implementan resistencias a la compresión reducidas de las barras GFRP y la compatibilidad de deformación entre las barras de GFRP y el concreto, pueden predecir con precisión las capacidades de carga de columnas cortas reforzadas con barras de GFRP, con una capacidad promedio experimentalmente pronosticada de 0.97. Descuidar la contribución a la capacidad, de las barras GFRP, resulta en discrepancias entre los resultados predichos y experimentales.

10.) Debido a las numerosas pruebas en columnas de concreto reforzado con GFRP, la nueva edición de CSA S6 (2019): Canadian Highway Bridge Design Code incorporó requisitos de diseño para los componentes de compresión con FRP, al permitir una resistencia a la compresión del refuerzo de FRP hasta una tensión correspondiente a 0.002; reconociéndola además como una estimación conservadora. Además, la segunda edición de AASHTO LRFD (2018): Bridge Design Guide Specifications for GFRP-Reinforced Concrete para el diseño con refuerzo GFRP, implementó el uso de elementos reforzados con GFRP bajo compresión axial.