CYPE ha desarrollado junto a SIKA®, empresa líder en el desarrollo de especialidades químicas para impermeabilizar, adherir, amortiguar, reforzar y proteger estructuras, una herramienta informática denominada SIKA® CarboDur® Design Software con la que los profesionales pueden realizar el cálculo de un modo automático de un proyecto de refuerzo estructural utilizando las diferentes soluciones de fibra de carbono que ofrece la compañía suiza, para normativas internacionales específicas. Hablamos con David Vázquez Cacho, responsable Internacional de Sika para el soporte técnico de los sistemas de refuerzo de la compañía mediante composites
Antes de nada nos gustaría saber qué son las soluciones de fibra de carbono que Sika® ha desarrollado.
Es una solución basada en un composite no metálico que es entre tres y cinco veces más ligero que el acero de armar, así como entre ocho y diez veces más resistente que éste. Esto hace que su durabilidad y alta resistencia lo sitúen como un material muy cualificado para dar seguridad a las obras e integridad a las estructuras. Por tanto, son sistemas de muy poco peso utilizados frecuentemente como sistemas de refuerzo para aumentar la resistencia estructural en cualquier tipo de elemento estructural, desde una pequeña vigueta de edificación hasta una gran presa.
¿Desde cuándo desarrolla Sika® este tipo de producto?
Sika comenzó el desarrollo de sus sistemas de refuerzo de carbono en la década de los 80 del pasado siglo. Este desarrollo fue llevado esencialmente a cabo por Sika en Suiza, con la colaboración del EMPA, Laboratorio Federal Suizo de Ciencia y Tecnología de los Materiales. En esas fechas, los primeros desarrollos estaban esencialmente basados en la utilización de tejidos de fibra de carbono que eran impregnados manualmente con adhesivos sobre la superficie de hormigón. Dicha técnica sigue siendo utilizada en la actualidad, aunque ha sido sustituida en buena parte de los casos por sistemas prefabricados más simples, seguros y eficaces.
¿Cuál era el principal objetivo de este producto en aquella época?
El objetivo de los primeros desarrollos era esencialmente lograr una solución que pudiera subsanar los problemas de durabilidad detectados en refuerzos existentes, efectuados mediante acero. Era patente que muchos de los refuerzos metálicos llevados a cabo diez o quince años atrás presentaban en ese momento serios problemas de corrosión. Por ello, muchos ingenieros empezaron a demandar una solución que no plantease dicha limitación y que pudiera superar ampliamente las capacidades mecánicas del acero.
¿Cómo ha evolucionado en los últimos años esta solución constructiva en cuanto a mejoras e innovación?
A lo largo de la década de los 90, los tejidos fueron siendo sustituidos paulatinamente por láminas preformadas de carbono, principalmente en aquellos refuerzos orientados a incrementar la capacidad resistente a flexión de vigas y losas de hormigón. Este sistema basado en laminados prefabricados permitió reducir drásticamente los plazos de ejecución, pudiendo planificar en unos pocos días trabajos que llevaban varias semanas mediante técnicas de refuerzo tradicionales.
¿Y con la llegada del siglo XXI?
Han seguido surgiendo nuevas técnicas, como el uso de pequeños perfiles o barras de fibra de carbono orientados a ser encastrados en ranuras practicadas en la superficie de hormigón. Esta técnica, denominada NSM (Near Surface Mounted), aportó un buen número de beneficios como poder hacer trabajar al carbono bajo una mayor tensión, al reducirse el riesgo de despegue bajo tracción o pandeo bajo compresión.
Del mismo modo se desarrollaron técnicas de postesado, como el sistema Sika® CarboStress. Esta técnica permitió no sólo un incremento notable de las resistencias últimas del elemento reforzado, sino también poder corregir de una forma activa aquellos defectos en la estructura relacionados con sus condiciones de servicio, como flechas y fisuración.
Los últimos años han traído la aparición de técnicas como los TRM (Textile Reinforced Mortar), con las que los adhesivos sintéticos han sido reemplazados por morteros de cemento, estando su uso principalmente enfocado al refuerzo de elementos de fábrica.
“Los técnicos que emplean carbono como sistema de rehabilitación por primera vez suelen entusiasmarse por él y repetir debido a su simplicidad y seguridad”
¿En qué trabaja hoy en día Sika?
En la actualidad trabajamos en desarrollos orientados a incrementar las prestaciones de sus sistemas de fibra de carbono CarboDur y SikaWrap mediante sistemas complementarios de anclaje o adhesivos estructurales de última generación que permiten aumentar las deformaciones de diseño para el composite, pudiendo reducir las cuantías del refuerzo a aplicar.
¿Cuál es el perfil profesional del usuario de esta solución constructiva?
No existe un perfil predefinido, ya que se trata de una técnica de refuerzo válida tanto para un forjado de viviendas como para un gran puente sobre el mar. En el caso concreto del mercado español es un sistema ampliamente usado por un buen número de ingenieros, arquitectos y aparejadores debido a la gran oferta de productos existentes y a la larga experiencia adquirida. Los técnicos que emplean carbono como sistema de rehabilitación por primera vez suelen entusiasmarse por él y repetir debido a su simplicidad y seguridad.
Por tanto, esta técnica se usa y es utilizada tanto por pequeñas como por grandes constructoras al no interferir con otros procesos constructivos o alterar las condiciones geométricas de la estructura, cerramientos o elementos de distribución.
¿En qué tipo de obras se suele utilizar?
Por un lado cabe mencionar la rehabilitación de edificios existentes, bien como consecuencia de la degradación de su estructura a lo largo del tiempo o debido a modificaciones en sus condiciones de carga. Es especialmente destacable su uso en las estructuras marinas o edificaciones situadas en las proximidades de áreas costeras debido al riesgo de corrosión que sufren los sistemas de refuerzo con elementos metálicos. En un buen número de casos el plazo de ejecución de los trabajos es extremadamente reducido, por lo que el uso de fibra de carbono puede llegar a ser la única alternativa viable.
¿Puedes poner algún ejemplo de estos últimos casos?
Entre ellos estarían, por ejemplo, los estadios deportivos, grandes centros comerciales, parkings, puentes, industrias y centrales de generación eléctrica donde los periodos de inactividad son críticos.
¿Y algún otro tipo de obra más?
Sí. En mercados europeos y norteamericanos hay que destacar su uso como “commodity” o material de uso habitual en obras en ejecución, permitiendo subsanar sobre la marcha problemas estructurales derivados de errores de diseño o problemas que surgen durante los trabajos constructivos, como bajada de resistencias en el hormigón, problemas en la colocación de armados o taladros en vigas.
¿Ha aumentado la ejecución de proyectos con esta solución constructiva en los últimos años?
El empleo de refuerzos mediante fibra de carbono es algo extraordinariamente frecuente en mercados maduros como Europa, Oceanía o Norteamérica, donde hay severos requisitos estructurales. Esto hace que sea en muchos casos considerado como la primera opción en buena parte de los proyectos de refuerzo estructural, incluso por delante de sistemas tradicionales basados en elementos metálicos o recrecidos de hormigón.
¿A qué cree que se debe esta elección por parte de los profesionales?
Esto se debe tanto a su dilatada disponibilidad en estos países durante más de 20 años, así como al reducido coste y plazo de puesta en obra respecto a otras alternativas. Esto es tenido en cuenta tanto por profesionales del sector como por empresas constructoras, las cuales han ido empleando profusamente los refuerzos de carbono para solventar un buen número de pequeños problemas que han ido surgiendo habitualmente durante la construcción de nuevos edificios.
¿Su uso es igual en todos los países del mundo?
Son usos similares. Una situación parecida se presenta en países del área latinoamericana, como México, Colombia, Argentina, Perú, etc., donde el empleo de composites también ha tenido una gran aceptación como sistema de refuerzo sísmico de estructuras existentes, al permitir llevar a cabo el trabajo sin afectar a la geometría y volúmenes existentes en edificios, parkings o puentes.
Otras regiones, principalmente Oriente Medio y Asia, orientan principalmente el empleo de refuerzos con carbono a la rehabilitación de grandes infraestructuras, como rascacielos, puentes o grandes centros comerciales.
“El uso de refuerzos de fibra de carbono es especialmente destacado en las estructuras marinas o edificaciones situadas en las proximidades costeras por el riesgo de corrosión de los sistemas de refuerzo con elementos metálicos”
Como responsable internacional de este producto, ¿en qué países es más solicitada y demandada esta solución de fibra de carbono?
Hace diez o quince años los principales consumidores de refuerzos con fibra de carbono eran los territorios de Europa occidental, Japón, Estados Unidos y ciertos países latinoamericanos, como México, Chile y Colombia. Con el paso de los años se ha ido generando una gran demanda en nuevas regiones, principalmente Asia y Oriente Medio. En la actualidad se sigue incrementando de forma notable la demanda a nivel internacional, pudiendo afirmar que su uso está ampliamente extendido por todo el mundo, exceptuando parte del África subsahariana.
¿Qué ventajas ofrece la solución de fibra de carbono con respecto a otro tipo de soluciones como pueden ser el uso de acero, hormigón/concreto, etcétera?
El técnico principalmente destaca de los sistemas de CFRP sus impresionantes capacidades mecánicas y la gran seguridad que proporciona su empleo debido a la mínima intervención del operario y riesgo de errores durante la instalación. Otro de los factores que señala es la seguridad en los cálculos, al existir ya un gran número de guías de diseño que regulan su dimensionado de acuerdo a los parámetros del Eurocódigo 2 o ACI318-14.
El propietario de la estructura dispone de un refuerzo estructural libre de mantenimiento o de problemas de degradación o corrosión, que puede ser instalado en unas pocas horas o días. Hay que tener en cuenta que un refuerzo con carbono presenta un espesor aproximado de 1-2 milímetros, por lo que desaparece de la vista bajo un simple revoco o enfoscado, sin alterar el resto de elementos constructivos. Esto es algo impensable con técnicas tradicionales de refuerzo basadas en perfiles de acero o recrecidos de hormigón.
Hay países, como por ejemplo España, que carecen de una normativa específica para utilizar esta solución de fibra de carbono para estructuras. ¿Sabe si se está estudiando en España introducir una normativa específica? ¿Qué opinión tiene con respecto a esta falta de normativa en España?
Muchos países disponen de códigos propios para el diseño de los refuerzos con CFRP. Algunos ejemplos son Canadá, Estados Unidos, Japón, Egipto, Reino Unido, Italia, Holanda, Alemania, etc. En la mayor parte de los casos, dichas guías de cálculo fueron elaboradas hace diez o quince años, habiendo sido actualizadas periódicamente.
El resto de los países, como sucede en España, utilizan guías de cálculo internacionales como es el caso del boletín 14 de la fib (Federación Internacional del Hormigón), redactado en 2001, y que va a ser actualizado en 2016. Dicha guía está diseñada a modo de anexo al Eurocódigo 2 Europeo, siguiendo las mismas pautas para el cálculo.
En el caso de los países europeos sin norma propia, como es el caso de España, no tiene sentido actualmente el plantear un código de diseño propio. Esto se debe por un lado a la existencia de otras guías internacionales que pueden ser perfectamente utilizadas y que siguen patrones de cálculo europeos y, principalmente, al hecho de que la nueva actualización del Eurocódigo 2, prevista para 2020, ya incluye el dimensionado de los refuerzos con fibra de carbono dentro de su articulado.
En el caso de los países americanos y asiáticos, la principal guía de diseño es la ACI 440.2R, que sigue los mismos principios que la norma de hormigón estructural ACI 318.
Sika® tiene un acuerdo de colaboración con CYPE para el desarrollo de un software capaz de realizar el cálculo de refuerzos de fibra de carbono en estructuras que, en la actualidad, cuenta con las normativas norteamericana ACI 440.R2-08, la norma Suiza SIA 166 y la británica TR-55. ¿Qué ventajas supone para el profesional contar con una herramienta de este tipo?
A finales de la década de los 90, las primeras pautas para el cálculo no eran sino documentos derivados de datos experimentales obtenidos a partir de ensayos de laboratorio. Por tanto, apenas era posible el acometer refuerzos más allá de incrementar la capacidad a flexión de vigas rectangulares y la resistencia de pilares bajo cargas centradas. Sin embargo, la principal ventaja consistía en que el dimensionado se podía efectuar fácilmente con un lápiz y un papel en unos minutos.
Las guías para el cálculo de los refuerzos con carbono han evolucionado de forma exponencial en los últimos 15 años. Ello permite en la actualidad acometer sofisticados sistemas con FRP para el refuerzo de infinidad de elementos constructivos bajo complejas combinaciones de solicitaciones. Sin embargo, muchos de estos cálculos se basan en complejos mecanismos de iteración y comprobación, haciendo que su dimensionado sea prácticamente imposible mediante hojas de cálculo, y mucho menos de forma manual.
Ello, unido al limitado conocimiento por parte de ingenieros y arquitectos de las guías de cálculo con fibra de carbono, hace que el principal inconveniente para el calculista sea el llevar a cabo el dimensionado de forma segura y sencilla. Por ello, Sika comenzó a promover el empleo de herramientas de cálculo hace 15 años. El acuerdo con CYPE nos ha permitido ir más allá, pudiendo Sika® proporcionar de forma gratuita a sus clientes el mejor software existente en la actualidad a nivel mundial para el diseño específico de refuerzos con laminados de fibra de carbono.
“Sika® y CYPE han desarrollado un módulo específico en el software que contempla el cálculo automático de la resistencia al fuego de los distintos elementos a reforzar”
Uno de los problemas que puede tener esta solución constructiva con respecto a otra es su protección en caso de incendio. ¿Qué tipo de soluciones se pueden plantear para mejorar la seguridad en esta área? ¿Es muy diferente al resto de soluciones como con el uso de acero?
Es un error muy frecuente creer que la pérdida del refuerzo como consecuencia de una acción accidental desemboca en el colapso de la estructura. Esto se debe, por lo general, al desconocimiento por parte de muchos ingenieros y arquitectos del articulado de las actuales normas de cálculo de hormigón en todo lo referente al diseño estructural en situación de incendio.
Por ello, conviene recordar que la resistencia residual del elemento estructural en caso de incendio no tiene en cuenta los habituales factores de reducción de resistencias para hormigón y acero. Del mismo modo, la combinación de cargas en caso de fuego está igualmente regulada en las actuales normativas de hormigón armado, siendo sensiblemente inferior a las cargas de diseño habituales.
Esto hace que el refuerzo sea totalmente prescindible en la amplia mayoría de los casos, por lo que es innecesario plantear ningún tipo de acción para su protección.
Por tanto, en dicha situación sólo es de esperar una protección pasiva de la sección de hormigón armado (y no del refuerzo) a fin de obtener una determinada resistencia al fuego, cuyo dimensionado es efectuado habitualmente mediante el método de la Isoterma 500 indicado en el articulado español y europeo.
En aquellas escasas situaciones donde es imprescindible la protección del laminado de carbono es posible el empleo de morteros específicos de protección de la gama Sikacrete, o bien paneles de aislamiento, de forma similar a los sistemas de protección para pletinas de acero.
Siendo conscientes de las dificultades y el desconocimiento generalizado sobre este particular, Sika® y CYPE han incluido un módulo específico en el software que han desarrollado conjuntamente, que contempla el cálculo automático de la resistencia al fuego de los distintos elementos a reforzar.
