Fortalecimiento de puentes

Prefacio

En los últimos años, se han registrado daños constantes en puentes causados por incendios. Generalmente, el desconchado del hormigón de las vigas de losa, las vigas de capitel y los pilares reduce la sección. En casos graves, se producen daños en las barras de acero expuestas, pérdidas de pretensado en las barras de acero pretensado y un aumento de la deflexión de las vigas de placa, lo que provoca grietas por tracción en la parte inferior de las vigas de placa, etc. Tras el incendio, en primer lugar, y según la situación real del lugar, es necesario analizar la duración y la temperatura del incendio, evaluar los daños del puente y la reducción de la capacidad portante, con el fin de reforzarlo y minimizar las pérdidas causadas por el incendio.

Análisis de daños en puentes tras un incendio

1.1 Daños en el hormigón

En caso de incendio, el primer daño es el hormigón, cuya resistencia se pierde a altas temperaturas. Se puede observar que cuando la temperatura es inferior a 300 °C, el cristal de la piedra de cemento no cambia, solo se evapora el agua interna no ligada, y el coeficiente de expansión térmica del agregado y la piedra de cemento es diferente, lo que resulta en microfisuras y la resistencia del hormigón se reduce ligeramente. Cuando la temperatura está entre 300 y 600 °C, el hidróxido de calcio en la pasta de cemento se deshidrata y se descompone, el cristal se daña ligeramente, la pasta de cemento comienza a aflojarse y la resistencia del hormigón disminuye. La dolomita y el carbonato de calcio en el hormigón comienzan a descomponerse cuando la temperatura está entre 600 y 800 grados Celsius, el agregado pierde su estabilidad y la resistencia a la compresión del hormigón disminuye drásticamente. Cuando la pasta de cemento se expone a altas temperaturas superiores a 800 °C, la pasta de cemento se convierte en un aglomerado discontinuo y la resistencia del hormigón se pierde básicamente. El efecto de la temperatura en la resistencia se muestra en el diagrama.

De hecho, cuando la temperatura no es demasiado alta, el hormigón puede reventar y desconcharse debido a la expansión térmica. Al extinguir un incendio con agua, la superficie caliente del hormigón se enfría rápidamente, lo que genera una diferencia de tensiones internas y externas en los elementos de hormigón, lo que agrava el desconchado. Por lo tanto, el principal daño en los puentes durante un incendio es la explosión y el desconchado del hormigón, lo que resulta en la reducción del espesor de la capa protectora e incluso de la armadura desnuda. Al mismo tiempo, el área de la sección del elemento disminuye. En las vigas de placa, la rigidez a la flexión disminuye, la deflexión aumenta y aparecen grietas por tracción en la parte inferior de la placa. El hormigón no desconchado también puede desprenderse debido a las altas temperaturas, lo que reduce su resistencia y durabilidad, facilita la corrosión interna del acero y otros efectos negativos asociados.

1.2 Daños en las barras de acero

Con el paso del tiempo durante el incendio, las barras de acero se calentarán gradualmente, especialmente después de que se desprenda la capa protectora. La resistencia de las barras de refuerzo varía poco a 200 °C y luego disminuye. La resistencia última, el límite elástico y el módulo elástico disminuyen con el aumento de la temperatura de combustión, ablandándose a 450 °C. Cuando la temperatura alcanza los 600-700 °C, la estructura cristalina interna de las barras de refuerzo cambia, lo que resulta en una reducción muy significativa de la resistencia y el módulo elástico, y una pérdida de aproximadamente la mitad de la resistencia. Después del enfriamiento, la resistencia del acero se restaura parcialmente, pero la reorganización cristalina interna, el límite elástico y la resistencia última disminuyen, y la ductilidad aumenta. Si se utiliza agua para extinguir el fuego, la barra de acero se templa y se vuelve quebradiza. Las barras de acero pretensado y las bisagras de acero pretensado tienen un mayor contenido de carbono y se ven mucho más afectadas por el fuego que las barras de acero comunes. La relajación a alta temperatura causará una gran pérdida de pretensado. Si la capa protectora se desprende por completo, la barra de acero quedará expuesta directamente al fuego y su superficie se oxidará. Si no se trata a tiempo, la corrosión de la barra de acero se desarrollará rápidamente y afectará su resistencia.

1.3 Pérdida de fuerza cohesiva en el hormigón armado

Debido al alto coeficiente de expansión térmica de la barra de acero, la fuerza de unión entre esta y el hormigón se refuerza inicialmente gracias a la mayor unión entre ambos. Sin embargo, con el daño por fuego a la estructura de la pasta de cemento, la fuerza de unión se reduce gradualmente y el desconchado explosivo de la capa protectora de hormigón reduce considerablemente dicha fuerza.

Tecnología de refuerzo para puentes tras un incendio

Refuerzo de vigas de losa

En caso de incendio, la viga de losa generalmente presenta rotura y desconchado del hormigón, y también se desprende. Por lo tanto, primero es necesario retirar el hormigón suelto del refuerzo de la viga de losa. Si el desconchado es grave y la barra de acero está expuesta, se requiere un tratamiento antioxidante. Tras una capa estructural sólida, es necesario restaurar el espesor de la sección con mortero de reparación. Si el desconchado no es grave, se puede reparar directamente con mortero de reparación. Cuando el espesor de la capa descascarada supera los 3-4 cm, resulta difícil repararla directamente. La barra de acero se puede colocar en la parte inferior del tablero y luego se puede colgar una malla metálica para reparar el espesor original de la sección. Si la barra de acero queda expuesta, primero se debe aplicar un desoxidante y un inhibidor de corrosión, y luego repararla para recuperar el espesor original de la sección.

Dado que la resistencia de las barras de acero en losas y vigas suele disminuir después del incendio, el grado de reducción se puede determinar en función de la temperatura y la duración del incendio, y posteriormente se puede diseñar el refuerzo para mejorar la capacidad portante. El refuerzo del hormigón se puede realizar mediante la adhesión de placas de acero o tejido de fibra de carbono. El refuerzo de fibra de carbono ofrece ventajas como alta resistencia, ligereza, resistencia a la corrosión y durabilidad.

Refuerzo de la viga de cubierta

El momento flector y la fuerza cortante de la viga de cubierta son relativamente elevados, y esta suele cocerse por tres lados, por lo que su capacidad de flexión y de corte disminuyen drásticamente tras la rotura y el desconchado del hormigón. Para mejorar la capacidad de flexión de la viga de capitel, se debe fijar una malla de fibra de carbono en forma de "U" a la parte inferior de la viga de capitel, de forma similar a los estribos, para aumentar su capacidad de corte.

Refuerzo de pilares

Los pilares de los puentes de vigas suelen ser columnas cilíndricas con refuerzos longitudinales y estribos espirales. El daño más probable en los pilares durante un incendio es el desconchado de la capa protectora, incluso de las barras de acero expuestas, y el hormigón en los estribos más resistentes también se rompe. Por lo tanto, la capacidad portante de los pilares se reduce, y las medidas de refuerzo suelen incluir la restauración de la sección.

En cuanto al tamaño y al fortalecimiento de la capacidad portante, actualmente el método común de refuerzo de la capacidad portante en ingeniería consiste en el uso de malla de fibra alrededor del refuerzo pegado, de modo que el hormigón interno, en estado de compresión tridimensional, mejore la capacidad portante de los pilares. Otros estudios han demostrado una mejora significativa en el rendimiento sísmico de las columnas reforzadas con malla de fibra de carbono.

Resumen

Para reforzar puentes de carretera dañados por incendios u otras razones para mejorar la capacidad portante, el método comúnmente utilizado es el pegado de malla de fibra de carbono.