Comprensión de la mecánica de transferencia de carga en vigas de hormigón reforzadas con CFRP

Un laminado de carbono adherido refuerza una viga al captar fuerza de tracción a través del hormigón al que está pegado — pero solo hasta el punto que la adherencia puede soportar, muy por debajo de la resistencia a la rotura de la fibra. Comprender esa brecha es la clave para interpretar cualquier diseño con CFRP. Esta guía explica cómo se transfiere realmente la fuerza, basándose en la mecánica de adherencia de ACI 440.2R y el Eurocódigo. Comience con qué es el refuerzo con CFRP si estos términos son nuevos para usted.

¿Cómo pasa la fuerza del hormigón al CFRP?

Por compatibilidad de deformaciones. ACI 440.2R asume que las secciones planas permanecen planas sin deslizamiento entre el FRP y el sustrato, de modo que el laminado adherido se deforma junto con la fibra de hormigón a la que está fijado, siguiendo un perfil de deformación lineal a lo largo del peralte de la sección (deformación de aplastamiento del hormigón εcu = 0.003, se ignora la tracción del hormigón, el FRP es linealmente elástico hasta la falla). El adhesivo transfiere esa fuerza como cortante interfacial. Un matiz: la viga suele estar ya cargada cuando se instala el FRP, por lo que se resta una deformación inicial del sustrato εbi al nivel del FRP — la fibra solo capta la deformación adicional proveniente de las cargas aplicadas después de la instalación.

¿Por qué la fibra nunca alcanza su resistencia nominal?

Porque la adherencia cede primero. La deformación efectiva del FRP se limita a εfe = min(εfd, 0.9εfu), donde el límite de deformación por desprendimiento es εfd = 0.41√(f′c / (n·Ef·tf)) ≤ 0.9εfu (ACI 440.2R Eq. 10.1.1, de Teng et al.). En la práctica, εfd es el valor más bajo y el que gobierna, por lo que la deformación utilizable queda muy por debajo de la deformación de rotura de la fibra (típicamente entre 1.5–1.6%). El factor de contribución a flexión del FRP ψf = 0.85 la reduce aún más. Por eso una tela de “4,500 MPa” nunca se utiliza a 4,500 MPa en una junta — más sobre esto en cómo leer una ficha técnica.

¿Dónde se concentra el esfuerzo de adherencia?

No de manera uniforme. La transferencia de cortante interfacial sigue una ley bilineal de adherencia-deslizamiento (Eurocódigo Anexo J), y el esfuerzo se concentra marcadamente en dos lugares: en el extremo de la placa y en cada fisura de flexión a lo largo de la luz. Justo ahí es donde comienza el desprendimiento. También existe una longitud de adherencia efectiva: más allá de cierta longitud adherida, añadir más longitud transfiere esencialmente nada de fuerza adicional — la fuerza anclable tiende a un valor asintótico. Por eso simplemente alargar una placa no es una forma confiable de desarrollar más capacidad, y por eso el anclaje de extremo es importante.

¿Por qué más CFRP no aporta resistencia proporcional?

Vuelva a observar εfd = 0.41√(f′c / (n·Ef·tf)). El número de capas n se ubica dentro del denominador bajo la raíz cuadrada, de modo que añadir capas aumenta n·Ef·tf y reduce el límite de deformación por desprendimiento. Por lo tanto, cada capa adicional aporta menos deformación utilizable que la anterior — la capacidad a momento no escala linealmente con el número de capas. Esta es también la razón por la que los sistemas deben compararse en igualdad de rigidez, no de resistencia: aproximadamente tres capas de tela laminada en húmedo equivalen a una tira de placa. Véase placa frente a tela.

¿Qué falla primero en realidad: la fibra o la adherencia?

La adherencia, en casi todos los casos sin anclaje. ACI 440.2R exige comprobar cinco modos de falla a flexión en cada diseño — aplastamiento del hormigón (antes o después de la fluencia de la armadura), rotura del FRP, delaminación del recubrimiento, y desprendimiento por fisura intermedia — y tomar como gobernante el modo de menor capacidad. Como εfd suele estar muy por debajo de 0.9εfu, el desprendimiento por fisura intermedia es el modo al que converge la mayoría de los diseños. La evidencia es contundente: una base de datos de 375 vigas reforzadas externamente sin anclaje falló en el 100% de los casos por desprendimiento — 70% por fisura intermedia, 30% por extremo — y prácticamente ninguna llegó a la rotura de la fibra.

¿Cómo se aumenta la deformación utilizable?

Dos maneras, ambas cambian el problema de la adherencia. El anclaje — envolventes en U, anclajes de fibra tipo espiga, o fijaciones mecánicas — retiene el laminado donde de otro modo se despegaría, empujando la deformación efectiva hacia la rotura; ACI PRC-440.2-23 ahora formaliza el diseño de anclajes de fibra y cita ganancias de resistencia a cortante de 20–60%. Los sistemas montados cerca de la superficie (NSM), colocados en ranuras con contacto de epoxi en más caras, están mejor confinados y obtienen un límite más simple y más alto de εfd = 0.7εfu en lugar de la fórmula con raíz cuadrada. Cuándo y cómo anclar se trata en sistemas de anclaje mecánico para CFRP.

Preguntas frecuentes

¿La tela o la placa de CFRP llegan alguna vez a su resistencia a la tracción nominal cuando están adheridas a una viga?

No. El diseño limita la deformación efectiva a εfe = min(εfd, 0.9εfu) (ACI 440.2R Eq. 10.1.1). Como εfd — el límite de deformación por desprendimiento — suele ser el valor que gobierna, la fibra opera muy por debajo de su deformación de rotura. El desprendimiento fija el límite, no la rotura de la fibra.

¿Por qué añadir más capas de CFRP no aumenta la capacidad de forma proporcional?

La deformación por desprendimiento εfd = 0.41√(f′c/(n·Ef·tf)) tiene el número de capas n dentro del denominador bajo una raíz cuadrada. Más capas aumentan n·Ef·tf, lo que reduce εfd — así que cada capa adicional aporta menos deformación utilizable que la anterior, limitando el rendimiento de las capas extra.

¿Qué falla primero en una viga con CFRP adherido externamente: la fibra o la adherencia?

La adherencia, en casi todos los casos. Una base de datos de 375 vigas a flexión con FRP adherido externamente sin anclaje mostró el desprendimiento como modo de falla en todos los casos: 70% desprendimiento por fisura intermedia, 30% desprendimiento por extremo — no rotura de la fibra.

¿Puede el anclaje mecánico permitir que el CFRP aproveche más de su resistencia nominal?

Sí. ACI 440.2R señala que los sistemas anclados (envolventes en U, anclajes de fibra/espiga, NSM) pueden empujar la deformación efectiva hacia la rotura. ACI PRC-440.2-23 formalizó el diseño de anclajes de fibra (Sec. 14.1.4), citando ganancias de resistencia a cortante de 20–60% cuando se ancla una envolvente en U de tres caras.

¿Es el mismo límite de desprendimiento para la tela adherida en superficie y para las barras montadas cerca de la superficie?

No. Los sistemas adheridos externamente usan εfd = 0.41√(f′c/(n·Ef·tf)) ≤ 0.9εfu. Las barras NSM, embebidas en una ranura con epoxi en más caras, obtienen mejor confinamiento y un límite más simple y más alto: εfd = 0.7εfu.

¿Cómo deciden los ingenieros qué modo de falla gobierna?

ACI 440.2R exige comprobar cinco modos en cada diseño — aplastamiento del hormigón antes o después de la fluencia de la armadura, rotura del FRP, delaminación del recubrimiento, y desprendimiento por fisura intermedia — y tomar como gobernante el modo de menor capacidad. Como εfd suele estar muy por debajo de 0.9εfu, el desprendimiento gobierna la mayoría de los diseños adheridos externamente.

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