Prueba exitosa de pilotes hincados de concreto reforzado con barras y espirales GFRP

El aumento en la escala y complejidad de la infraestructura y de las edificaciones en economías que avanzan en su desarrollo, exige conocimientos y capacidades especializadas en cimentaciones profundas. El diseño y fabricación de pilotes es una de las técnicas más importantes en este campo, dado que estos elementos estructurales en concreto reforzado permiten trasladar grandes cargas hasta estratos resistentes en el suelo, por lo demás, geológicamente muy jóvenes en nuestra región.

La innovación tampoco se detiene. Un equipo del Laboratorio estructural y de materiales de la Universidad de Sherbrooke (Quebec, Canadá), diseñó y probó pilotes reforzados con barras y espirales de polímeros reforzados con fibras de vidrio (GFRP: Glass Fiber Reinforced Polymers). Sus resultados extienden aún más la frontera de conocimientos sobre la aplicación segura y confiable de este tipo de refuerzos en elementos estructurales de concreto reforzado; y ofrecen opciones de cimentación superiores en calidad y durabilidad a aquellas hechas con materiales tradicionales.

La investigación fue financiada por la Cátedra de Investigación Industrial en Refuerzo Innovador de FRP para Concreto de la Natural Science and Engineering Research Council of Canada (NSERC) y por el Research Centre on Concrete Infrastructure (CRIB) del Fonds de la Recherche du Quebec-Nature et Technologie (FRQ-NT). Las pruebas se llevaron a cabo en Estados Unidos, con el apoyo y supervisión del Departamento de Transporte de Florida (FDOT, por su sigla en inglés).

Actualmente, estos pilotes son parte del Arthur Drive Bridge, en Lynn Haven, Panama City, Florida.

Antecedentes

Existe un corpus de investigación sobre miembros de concreto reforzados con barras GFRP bajo flexión, cortante, axial y combinado cargas axial-flexión. En estudios recientes se ha encontrado que el comportamiento de las columnas reforzadas internamente con barras y estribos GFRP fue similar a aquellas de estaban reforzadas con barras de acero. Las contribuciones de las barras GFRP y de acero a la capacidad de la columna se han encontrado alrededor del 5 % y el 12 %  de la carga máxima, respectivamente.

Se ha establecido que el reforzamiento con espirales de pilas y pilotes incrementa el confinamiento y la estabilidad de la jaula de armadura en comparación con los estribos cerrados de confinamiento. Aspecto que es crítico en el diseño sísmico, el cual depende de esta ductilidad adicional. Un refuerzo en espiral continuo requiere además menos anclajes que los estribos cerrados de confinamiento, lo que minimiza la probabilidad de falla por deslizamiento.

Desde hace varios años, estándares de alcance internacional permiten la colocación de barras GFRP en la zona de compresión de elementos axiales y a flexión; siempre que no se tengan en cuenta, por ahora, para determinar la resistencia axial a flexión del elemento.

Prueba

El objetivo de la investigación fue probar tres pilotes de concreto prefabricado, dos de estos reforzados con barras y espirales de GFRP, los cuales se instalaron mediante conducción dinámica o de hincado. El tercer pilote fue preesforzado con cables de polímeros compuestos reforzados con fibra de carbono. En este artículo, resumiremos únicamente los resultados de los pilotes reforzados con GFRP.

El pilote 1 se reforzó con 20 barras GFRP # 8 (25 mm), mientras que para el pilote 2 se utilizaron 12 barras GFRP # 8. Los dos pilotes son de sección cuadrada (60.96 cm x 60.96 cm) y 18.29 m de longitud. Ambos especímenes fueron reforzados lateralmente con espirales GFRP # 5 (16 mm), con un espaciamiento o paso constante de 152 mm. El paso de la espiral se redujo a 76 mm para 16 vueltas y 50,8 mm para 5 vueltas en ambos extremos, con el fin de evitar fallas prematuras.

La relación de refuerzo del primer pilote fue de 2.7 %; del segundo: 1.6 %. Las barras y espirales GFRP utilizados en la investigación fueron exclusivamente de la marca V-ROD®, fabricados por la compañía canadiense Pultrall Inc., cuya representación en la región está a cargo de Aritrec S. A.

Las propiedades de tracción de las barras longitudinales de FRP se determinaron mediante la realización del método de prueba B.2 de la guía ACI 440.3R (2004): Guide Test Methods for Fiber-Reinforced Polymers (FRPs) for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures, como se informa en la Tabla 1.

Fuente: Brahim, B., Nolan, S., et. al. 2018. Field Driving Tests of Precast Concrete Piles Reinforced With GFRP Bars and Spirals. Fédération Internationale du Béton.

La cubierta de concreto se mantuvo constante a 7.62 mm desde la cara de los espirales. Los pilotes se fundieron el mismo día con concreto premezclado de peso normal con una resistencia a la compresión promedio de 58 MPa (8500 psi).

Los esfuerzos máximos permisibles de compresión y tracción del pilote se estimaron utilizando una prueba estándar.

La composición geológica de los suelos era de (a) arenas finas limosas muy sueltas, con orgánicos; (b) arenas finas limosas de densidad suelta a media; y (c) arenas calcáreas densas a muy densas. El martillo, neumático de efecto simple Vulcan 512, se ejecutó consistentemente en términos de energía y longitud de golpe durante el hincado de ambos pilotes.

Los resultados de la prueba, llevada a cabo durante 2017, indicaron que la velocidad promedio de las olas, medida durante la instalación del pilote, fue de 4203 m/seg y 4188 m/seg para los pilotes 1 y 2, respectivamente. Las transferencias de energía durante el empuje variaron entre 10.8 kNm a 28.5 kNm para el pilote 1 y 13.6 kNm a 33.9 kNm para el pilote 2.

Los esfuerzos de compresión máximos medidos en el pilote 1 estuvieron conformes al límite permitido de 41 MPa, mientras que las tensiones de tracción para algunos golpes de final de recorrido fueron más altas que el límite permitido de 4.1 MPa.  Sin embargo, no se observaron daños (Medida de Integridad del Pilote: MPI = 100 %).

Los esfuerzos de compresión máximos medidos en el pilote 2 estuvieron también dentro del límite permisible de 41 MPa, mientras que los esfuerzos de tracción al final del impulso fueron más altos que el límite permisible de 4.1 MPa y variaron hasta 11 MPa. Sin embargo, no se observaron daños en la pila (MPI = 100 %).

La investigación adhirió a los especímenes transductores de tensión y acelerómetros en recopiladores de datos integrados (EDC: Embedded Data Collectors). Se usaron para monitorear los dos pilotes durante las operaciones de hincado, especialmente las tensiones de conducción y la integridad estructural.

Con base en los datos de punta y tope de los EDC, la capacidad del pilote 1, lograda durante el final de la impulsión, utilizando el método UF (University of Florida), fue del orden de 2433.2 kN, con 2001.7 kN en fricción superficial y 404.8 kN en el cojinete extremo. A su vez, para el pilote 2, fue del orden de 2379.8 Kn; con 2041.7 kN en fricción superficial y 338.1 kN en el cojinete extremo.

Conclusiones

  1. El martillo Vulcan 512 se ejecutó de manera consistente en términos de energía y longitudes de carrera durante la instalación de los pilotes.
  1. No se produjeron daños en los pilotes durante la instalación.
  1. Los pilotes 1 y 2 alcanzaron capacidades totales de 2433.2 kN y 2379.8 kN, respectivamente
  1. Las espirales GFRP confinaron con éxito el núcleo de concreto de los dos pilotes y evitaron el desprendimiento de la cubierta durante la conducción.
  1. Se comprobó trayectoria continua de la onda de tensión a lo largo de las longitudes de los pilotes a cargas de compresión; por lo tanto, los pilotes no sufrieron daños en lo que respecta a la carga de compresión estricta.

Published by Aritrec S. A.

Representantes exclusivos Centro y Suramérica de barras FRP de refuerzo V-ROD® para estructuras de concreto.

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