Experimental and Analytical Evaluation of Reinforced Concrete Beams Strengthened Using a Near-Surface Mounted CFRP U-Wrap Technique

El hormigón es el caballo de batalla silencioso del mundo moderno, formando el esqueleto de nuestros puentes, edificios y hogares. Es lo suficientemente fuerte como para soportar un peso inmenso, pero como cualquier material, tiene límites. Con el tiempo, las exigencias impuestas a estas estructuras pueden aumentar, o los materiales mismos pueden envejecer, dejándolos vulnerables a doblarse o romperse bajo el estrés. Cuando una viga de hormigón comienza a mostrar signos de debilidad, los ingenieros deben encontrar una forma de hacerla más fuerte sin demoler toda la estructura. Durante décadas, la solución estándar ha sido pegar finas láminas de fibra de carbono de alta resistencia en el exterior de la viga. Aunque es efectivo, este método tiene un defecto: el pegamento a veces puede fallar, haciendo que la lámina se despegue antes de que la viga alcance su máximo potencial. Para resolver esto, los investigadores han desarrollado una técnica que esconde el material de refuerzo dentro del propio hormigón, ocultándolo dentro de una ranura tallada en la superficie. Este enfoque, conocido como montaje cerca de la superficie, crea una unión mucho más estrecha entre la viga y el refuerzo, protegiendo el material y permitiéndole trabajar con mayor intensidad.

Un equipo de investigadores puso a prueba recientemente este método de fortalecimiento oculto, observando específicamente cómo se desempeña cuando se combina con una técnica de envoltorio que aprieta la viga desde los lados. Construyeron seis vigas de hormigón, cada una con cien milímetros de ancho, doscientos milímetros de alto y mil quinientos milímetros de largo. La mitad de estas vigas se dejaron lisas para servir como base, mientras que la otra mitad fue reforzada mediante un proceso específico. Primero, los investigadores tallaron una ranura en la parte inferior de la viga y pasaron una tira de fibra de carbono a través de ella, asegurándola con una resina epoxi de dos componentes. Luego, envolvieron la viga con hojas adicionales de fibra de carbono alrededor de los lados y la parte inferior en forma de U, creando efectivamente un abrazo apretado alrededor del hormigón. Finalmente, cubrieron toda el área reforzada con una capa fresca de hormigón para restaurar la forma original de la viga. Una vez que el nuevo hormigón fraguó, sometieron las seis vigas a una riguroosa prueba de flexión de cuatro puntos, aplicando peso lentamente hasta que las vigas fallaron.

Los resultados del experimento fueron sorprendentes. Las vigas lisas, que no tenían refuerzo adicional, comenzaron a doblarse notablemente bajo una carga de unos cincuenta y cinco kilonewtons y finalmente fallaron con una carga promedio de sesenta y seis kilonewtons. En el momento en que se rompieron, se habían deformado por menos de cinco milímetros. Sin embargo, las vigas reforzadas contaron una historia diferente. Mantuvieron su forma durante mucho más tiempo y soportaron una carga máxima de cien kilonewtons antes de fallar. Esto representa un aumento del cincuenta y uno por ciento en la cantidad de peso que las vigas podían soportar. Quizás incluso más impresionante fue cuánto pudieron doblarse antes de romperse. Las vigas reforzadas se deformaron dieciséis punto siete milímetros en su límite, más de tres veces la deformación de las vigas lisas. Esta flexibilidad adicional es crucial en escenarios del mundo real, ya que permite que una estructura absorba energía y dé una advertencia antes de un colapso catastrófico, en lugar de romperse repentinamente.

Los investigadores también observaron cómo se agrietaban las vigas. Las vigas lisas desarrollaron algunas grietas grandes y profundas que viajaron rápidamente hacia arriba a través del hormigón, alcanzando profundidades de aproximadamente ciento cincuenta y cinco milímetros. En contraste, las vigas reforzadas desarrollaron muchas grietas más pequeñas y superficiales que se mantuvieron más cerca de la superficie, sin exceder los ciento treinta milímetros de profundidad. El envoltorio de fibra de carbono actuó como un cinturón apretado, manteniendo el hormigón unido y evitando que las grietas se extendieran demasiado. Este confinamiento significó que el estrés se distribuyera de manera más uniforme a lo largo de la viga, permitiendo que el material trabajara de manera más eficiente. Para asegurar que estos hallazgos no fueran una casualidad de las vigas específicas que construyeron, el equipo también creó una simulación computarizada detallada del experimento. El modelo digital predijo el comportamiento de las vigas con alta precisión, coincidiendo casi perfectamente con los resultados de las pruebas del mundo real en cuanto a cuánto se doblaron y cómo fallaron finalmente.

El estudio confirma que incrustar fibra de carbono en el hormigón y envolverla con una capa en forma de U es una forma altamente efectiva de restaurar y fortalecer las estructuras envejecidas. Aumenta significamente la capacidad de carga y permite que las vigas se doblen más sin romperse, todo ello manteniendo las grietas pequeñas y manejables. Los investigadores señalaron que, si bien las vigas reforzadas eran ligeramente más flexibles que las lisas, no perdieron su capacidad esencial de deformarse de manera segura, una cualidad conocida como ductilidad. Esto sugiere que el método mejora la seguridad sin volver la estructura quebradiza. Aunque el trabajo actual se centró en vigas de un tamaño específico y bajo condiciones controladas, los hallazgos ofrecen un camino claro hacia adelante para los ingenieros que buscan extender la vida útil de la infraestructura de hormigón. La técnica demostró ser una herramienta confiable para mejorar el rendimiento, ofreciendo una forma de hacer que las estructuras antiguas sean más fuertes y seguras para el futuro.