Tesis (Magíster en Ingeniería Civil con énfasis en Estructuras)

Una de las principales necesidades de la sociedad es contar con una vivienda
propia que les brinde seguridad y confort; teniendo en cuenta esto, el sector de la
construcción, para el año 2021, ha alcanzado una cifra sin precedentes en cuanto a la
venta de viviendas nuevas en Colombia, cerca de 239 mil viviendas fueron
comercializadas el año anterior.
Los sistemas estructurales que predominan en este importante auge del
crecimiento de la construcción, son los sistemas industrializados de muros de concreto
y las edificaciones de muros portantes en mampostería estructural, en los que,
mediante la utilización de unidades de mampostería, de concreto o arcilla, unidos por
un mortero de pega, se construyen los elementos encargados de soportar tanto las
fuerzas verticales, como las fuerzas dinámicas a las cuales se puede ver sometida la
estructura. Teniendo en cuenta las características geométricas de las unidades de
mampostería utilizadas, es posible disponer barras de refuerzo dentro de sus celdas,
los cuales se vinculan al comportamiento del muro, mediante la utilización de un
mortero fluido.
Como es bien sabido, las barras que convencionalmente se utilizan para el
refuerzo de las edificaciones de muros portantes, es el acero estructural. Su capacidad
de ductilidad y su perfecta articulación con el mortero fluido permiten garantizar un
trabajo en conjunto de los elementos estructurales dispuestos para soportar las cargas
externas. Sin embargo, la corrosión del acero de refuerzo es uno de los factores que
más llegan a afectar la estabilidad de la estructura, debido a la pérdida de adherencia
entre la barra de refuerzo y el mortero hidráulico circundante disminuyendo la
capacidad estructural del elemento.
En vista de la afectación que puede llegar a tener la corrosión en la estabilidad
de una estructura, desde hace más de 3 décadas se han desarrollado diferentes
programas de investigación en elementos de concreto utilizando barras compuestas de
polímeros reforzados con fibras – Fiber Reinforced Polymers, (FRP, por sus siglas en
inglés) –como refuerzo interno del elemento en reemplazo del acero tradicional.
Algunas de sus propiedades mecánicas más atractivas para implementarlas en la
construcción son: alta resistencia a la tensión, alta resistencia a la corrosión y no tiene
conductividad.

En países como Estados Unidos, Canadá y China se han implementado en sus
normas de diseño la utilización de barras de FRP como refuerzo interno en elementos
de concreto y en el mes de septiembre del presente año se publicó el documento ACI
CODE-440.11-22: Building Code Requirements for Structural Concrete Reinforced with
Glass Fiber-Reinforced Polymer (GFRP) Bars—Code and Commentary que presenta
los requisitos de diseño de elementos de concreto reforzado internamente con barras
de FRP.
Por otra parte, las investigaciones en cuanto al uso de este material de refuerzo
en elementos de mampostería no han sido muy extensa. Debido a esto, en las normas
de diseño aún no se definen los requisitos mínimos a tener en cuenta a la hora del
diseño estructural de muros reforzados internamente con barras de Glass Fibers
Reinforced Polymers (GFRP, por sus siglas en inglés). Solo hasta el pasado mes de
junio del presente año, fue incluido un apéndice que contempla el uso de las barras de
GFRP como refuerzo interno de la mampostería en la nueva versión del TMS-402 TMS
402/602-22 Building Code Requirements and Specification for Masonry Structures.
En la Escuela Colombiana de Ingeniería, ya se han llevado a cabo algunas
investigaciones relacionadas con el estudio del comportamiento mecánico de muros de
mampostería sometidas a cargas fuera del plano, tanto de concreto como de arcilla,
reforzados internamente con barras continuas de FRP que han servido de base para
complementar el apéndice del TMS 402/602-22.
Dando continuidad a los estudios realizados en la Escuela Colombiana de
Ingeniería Julio Garavito, relacionados con el comportamiento de la mampostería
reforzada internamente con barras de FRP, el presente proyecto de investigación
consistió en la ampliación de una primera fase experimental, en la cual se evaluó el
comportamiento mecánico de muros de mampostería de concreto reforzados
internamente con barras de GFRP sometidos a cargas fuera del plano. Algunas de las
variables que se evaluaron del comportamiento de estos fue: resistencia a la flexión del
muro, considerando diferentes diámetros de la barra, ubicación de la barra de refuerzo
dentro de la celda y la longitud de traslapo.
Para el análisis del comportamiento estructural de los muros, se contó con 21
muros en total, reforzados con barras de GFRP #4, #5 y #6. Algunas de las barras
dentro de las celdas se encontraban traslapadas, esta longitud de traslapo fue definida
en función de las ecuaciones establecidas en el documento del ACI 440-1R-15, en el
cual se establecen los requisitos mínimos para el análisis y diseño de estructuras de concreto reforzadas con barras de FRP. La capacidad a flexión fuera del plano de estos
muros reforzados con barras traslapadas, fueron comparados con la capacidad de los
muros control, los cuales estaban reforzados con el mismo diámetro de barras de
GFRP, pero estas eran continuas. Todos los especímenes tenían una altura total de
2.20 metros, espesor de 0.19 metros y longitud horizontal variable.
Teniendo en cuenta los resultados experimentales obtenidos de cada uno de
los especímenes de ensayo, se observó un comportamiento elástico hasta la falla para
todos los muros. El comportamiento mecánico de las barras de refuerzo de GFRP
permitió la recuperación, de aproximadamente el 73% de la deflexión máxima generada
por la acción de cargas por fuera del plano.
Por otra parte, los muros reforzados con barras traslapadas presentaron
menores deflexiones en la mitad de la altura con respecto a los muros control,
reforzados con barras continuas. Esto se atribuye al aumento en la rigidez del muro,
debido a la presencia de las barras de refuerzo traslapadas en la zona central del muro.
En promedio, para todos los muros ensayados, se tuvo una reducción de
aproximadamente un 35% de la deflexión máxima desarrollada en los muros control.
Finalmente, se desarrolló un modelo matemático para evaluar en función del
diámetro, la longitud de traslapo mínima de las barras de GFRP utilizadas como
refuerzo interno de muros de mampostería de concreto. Con este modelo matemático
planteado, la longitud de traslapo para muros de mampostería puede ser
aproximadamente el 70% de la longitud evaluada inicialmente con la ecuación
establecida en el documento del ACI 440.1R-15 para el diseño de elementos de
concreto reforzados con barras de FRP.