Refuerzos estructurales con fibra de carbono

La fibra de carbono es un material de muy elevada resistencia mecánica, de muy baja densidad y resistente a los agentes ambientales. Como curiosidad la fibra de carbono se utilizó por primera vez en 1879. Thomas Alba Edison lo patentó para utilizarlo como filamento para la bombilla eléctrica.

La fibra de carbono se compone de hilos de carbono entrenzados sobre una matriz, normalmente epóxica, a la que se le adiciona un agente endurecedor, su principal componente es el PAN (poliacrilonitrilo), los hilos de PAN entrelazados conforman la fibra de carbono, existen varios tipos de trenzado según el uso que se le valla a dar. El segundo componente es la resina, un agente que se endurece en presencia de un catalizador. La resina mas utilizada es una tipo epóxica, llamada diglicidileter de bisfenol o BADGE que supera la resistencia de otras resinas como la poliéster, además de resistir temperaturas superiores a 200 °C y la corrosión y ataque de varios agentes químicos. 

La fibra de carbono es un material compuesto, relativamente caro frente a los materiales que normalmente se utilizan en la construcción. Se comercializa principalmente para la industria automotriz y de aviación debido a que resiste muy bien los altos esfuerzos y tiene bajo peso. El empleo de fibra de carbono en la construcción se ciñe sobre todo a los proyectos de rehabilitación estructural que se desmarca positivamente de los medios de refuerzo tradicionales ya que estos generan un aumento de peso de la estructura, su ejecución es más laboriosa y estéticamente tienen un mayor impacto.

Los refuerzos mediante fibra de carbono se usan para incrementar la capacidad portante, reparaciones de corrosiones en armaduras, impactos de vehículos, movimientos sísmicos, etc. A su vez sirven para mejorar las condiciones existentes, reduciendo los esfuerzos de las armaduras y mejorando la resistencia a fatiga de las mismas. Se emplean también para subsanar posibles errores de cálculo en proyecto o defectos de ejecución.

Existen en el mercado diversos fabricantes que comercializan tanto la fibra de carbono como los productos necesarios para su colocación, además son los mismos fabricantes los que nos informan de sus características físicas y mecánicas, modo apropiado de colocación, tiempos de secado, etc.

Comparativa con respecto a los refuerzos con estructura metálica

La instalación de un refuerzo mediante fibra de carbono es más sencilla puesto que el propio material de refuerzo es mucho más ligero que si utilizásemos acero y más limpio se empleásemos técnicas de recrecido con hormigones o morteros armados. Es un material no corrosivo, de poco espesor y puede ser recubierto por otros materiales de acabado.

 En el siguiente cuadro se pueden apreciar las diferencias más destacadas entre un elemento de acero y un elemento de fibra de carbono.

Como se puede observar los refuerzos estructurales con fibra de carbono poseen múltiples ventajas respecto a los refuerzos tradicionales, es por ello que se trata de una técnica muy empleada en rehabilitación.

Morfología

La fibra de carbono se puede presentar de diversas maneras:

1. Laminados (rectos o angulares en forma de “L”).
2. Rollos de mallas planas (unidireccionales o bidireccionales).
3. Varillas.

1) Laminados (rectos o angulares en forma de “L”).

Están formados por polímeros armados con fibras de carbono. Las fibras de carbono son las que confieren la capacidad portante al laminado mientras que los polímeros, a base de resinas epóxicas, son los que sirven de elemento de unión entre las fibras, además de protegerlas del ambiente.

Su presentación es en planchas de longitudes, anchos y espesores variables. También se presentan en angulares en forma de “L” de diferentes dimensiones.

2) Mallas planas.

Pueden ser unidireccionales o bidireccionales, dependiendo si las fibras se entretejen en una sola dirección o si se entretejen en dos direcciones de manera ortogonal. Al estar conformadas a modo de tejido permiten ser colocadas sobre superficies irregulares, adaptándose a la forma del elemento estructural.

Su presentación es en rollos de diferentes longitudes y anchuras.

3) Las varillas de fibra de carbono.

Se utilizan en supuestos similares en los que emplearíamos varillas de acero, con la ventaja que con un menor diámetro podemos asumir las mismas cargas, además de evitar futuros problemas de corrosión.

Su presentación es en varillas de diámetros y longitudes variables.

Sus usos

La fibra de carbono permite reparar y reforzar diferentes elementos estructurales, algunos ejemplos son:

• Según el elemento estructural:
• Refuerzos en vigas y viguetas de hormigón armado y madera.
• Refuerzos de pilares de hormigón.
• Refuerzo de nervios en forjados bidireccionales.
• Refuerzos en cara superior de forjados.

• Según la solicitación:
• Flexión.
• Compresión.
• Torsión.

En ocasiones las estructuras necesitan ser reforzadas por un aumento de las cargas o porque la misma está deteriorada y no es capaz de soportar las cargas y sufre deformaciones.

Su instalación

 Antes de proceder a la colocación de la fibra de carbono hay que asegurarse que el hormigón esté en buenas condiciones. Si existen armaduras al descubierto deberán recubrirse con mortero. Si el hormigón presenta desconches o irregularidades se deberá sanear y regularizar la superficie con mortero, procurando eliminar cualquier arista viva que pudiese dañar la fibra. Por último se deberá limpiar la superficie dejándola exenta de polvo o suciedad para mejorar su adherencia con la fibra de carbono.

Para colocar la fibra de carbono, bien sea laminada o en malla, se aplica adhesivo en toda la superficie de contacto entre el elemento estructural y la fibra, siguiendo las recomendaciones del fabricante. Tras colocarlo se realiza presión en la fibra de carbono con la ayuda de un rodillo metálico o de goma para eliminar las posibles burbujas de aire que pudieran existir.

Por último, y solo si es necesario por motivos estéticos, se puede recubrir y enlucir el refuerzo.