Comportamiento a flexión de elementos de concreto reforzados con barras de GFRP

Engineering in the context of innovation, improvement and efficient use of resources, has always been in search of new materials that can be used in the construction of all types of structures, this is how before the middle of the 20th century arises the investigation of composite materials with polymeric resins and glass fibers in the aviation industry, developing a light material, with great resistance to tension and with a great advantage over steel, its high resistance to corrosion. Considering the previous properties of this new material, civil engineering began to study the behavior of fiber-reinforced polymer bars as the internal reinforcement of concrete, emerging as an alternative material to conventional steel. This is how various design codes have been created for the use of fiberglass and carbon reinforced polymer bars (GFRP and CFRP) as concrete reinforcement, one of them was developed through committee 440 of the ACI (American Concrete Institute), the document ACI 440.1 R 15 Guide for the Design And Construction of Structural Concrete Reinforced With Fiber Polymer (FRP) Bars (2015,1), which stipulates the methodology to be used for designs by limit states of resistance and service. In the Colombian Construction Regulations for Earthquake Resistant NSR-10, in title C, the design of concrete structural elements, internally reinforced with steel bars, is specified. This title is based on ACI 318; Currently the ACI is working on a parallel regulation, where internally reinforced concrete with FRP bars is considered, therefore, given the importance of being at the forefront of the latest technologies, the present investigation of concrete elements subjected to bending is carried out , typical of building mezzanines, internally reinforced with GFRP bars in order to evaluate their response to service and ultimate design loads, common in mezzanine systems in the Colombian environment. The project involved the design and construction of four slabs 4,0 m long, 0,20 m thick and 1,0 m wide, varying the amount of reinforcement to consider designs under-reinforced, over-reinforced and with amounts similar to balanced, meeting the required resistance capacity and the admissible deflections imposed by the NSR-10. Likewise, an element in concrete reinforced with conventional steel was built entirely designed under the considerations of the Colombian standard, which would serve as a point of comparison. These elements were built and tested at the Escuela Colombiana de Ingeniería "Julio Garavito", taking advantage of the existing infrastructure of the materials laboratory. The tests were carried out by modeling a bending load condition through the application of point loads on the thirds of the elements, thus creating one pure bending zone and two bending-shear zones. The tests, through the appropriate instrumentation, allowed acquiring data on ultimate capacity, deflections, efforts in the reinforcing bars and failure mode for each element. The results evidenced for each element allowed establishing relationships between theoretical and experimental capacities, discrepancies in failure modes and their possible causes, differences between theoretical and experimental deflections, as well as generating conclusions and recommendations for the design of elements reinforced with GFRP bars.La ingeniería en el contexto de la innovación, la mejora y el uso eficiente de los recursos, siempre ha estado en busca de nuevos materiales que puedan ser usados en la construcción de todo tipo de estructuras, es así como antes de mediados del siglo XX surge la investigación de materiales compuestos con resinas poliméricas y fibras de vidrio en la industria de la aviación, desarrollando un material ligero, de gran resistencia a la tensión y con una gran ventaja frente al acero, su alta resistencia a la corrosión. Considerando las anteriores propiedades de este nuevo material, la ingeniería civil empezó a estudiar el comportamiento de las barras de polímeros reforzados con fibra como el reforzamiento interno del concreto, surgiendo como un material alternativo al acero convencional. Es así como se han creado diversos códigos de diseño para el uso de barras de polímeros reforzados con fibra de vidrio y carbón (GFRP y CFRP) como reforzamiento del concreto, uno de ellos fue el desarrollado a través del comité 440 del ACI (American Concrete Institute), el documento ACI 440.1 R 15 Guide for the Design And Construction of Structural Concrete Reinforced With Fiber Polymer (FRP) Bars (2015,1), el cual estipula la metodología a emplear para diseños por estados límites de resistencia y de servicio. En el Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente NSR-10, en el titulo C, se especifica el diseño de elementos estructurales de concreto, reforzado internamente con barras de acero, este título toma como base la publicación ACI 318; actualmente el ACI está trabajando en una normativa paralela, donde se considera el concreto reforzado internamente con barras de FRP por lo tanto, dada la importancia de estar a la vanguardia en las últimas tecnologías, se realiza la presente investigación de elementos de concreto sometidos a flexión, típicos de entrepisos de edificios, reforzados internamente con barras de GFRP con el fin de evaluar su respuesta ante cargas de servicio y últimas de diseño, comunes en sistemas de entrepiso del medio colombiano. El proyecto involucró el diseño y construcción de cuatro losas de 4,0 m de longitud, 0,20 m de espesor y 1,0 m de ancho, variando la cuantía de refuerzo para considerar diseños sub-reforzados, sobre-reforzados y con cuantías similares a la balanceada, que cumplieran la capacidad de resistencia requerida y las deflexiones admisibles impuestas por la NSR-10. Así mismo, se construyó un elemento en concreto reforzado con acero convencional diseñado enteramente bajo las consideraciones de la norma colombiana, que sirviera como punto de comparación. Estos elementos se construyeron y ensayaron en la Escuela Colombiana de Ingeniería “Julio Garavito”, aprovechando la infraestructura existente del laboratorio de materiales. Los ensayos se llevaron a cabo modelando una condición de carga por flexión a través de la aplicación de cargas puntuales en los tercios de los elementos, creando así una zona de flexión pura y dos de flexo-cortante. Los ensayos, a través de la instrumentación adecuada, permitieron adquirir datos de capacidad ultima, deflexiones, esfuerzos en las barras de refuerzo y modo de falla para cada elemento. Los resultados evidenciados para cada elemento permitieron establecer relaciones entre las capacidades teóricas y experimentales, discrepancias en los modos de falla y sus posibles causas, diferencias entre deflexiones teóricas y experimentales, así como, generar conclusiones y recomendaciones para el diseño de elementos reforzados con barras de GFRP