Refuerzo de columnas

En una estructura de hormigón armado de varias plantas, se observó que la resistencia del hormigón de 9 columnas del marco no cumplía con los requisitos de diseño durante la aceptación de la construcción, lo que resultó en una relación de compresión axial excesiva, que no cumplía con los requisitos de ductilidad requeridos por el valor límite de la relación de compresión axial. Por un lado, el recubrimiento de CFRP puede aumentar la resistencia a la compresión axial del hormigón hasta cierto punto. Por otro lado, el efecto de restricción transversal del recubrimiento de fibra de carbono en las columnas también puede mejorar significativamente la ductilidad de las columnas bajo cargas horizontales y cumplir con los requisitos de ductilidad de la relación de compresión axial.

Mediante el cálculo de la capacidad portante y la ductilidad, tres columnas con menor resistencia se recubrieron con tres capas de CFRP a lo largo de toda la altura de la columna. Para las otras 6 columnas, se recubrieron con dos capas de fibra de carbono a lo largo de la altura de la columna.

Análisis de la capacidad portante y la ductilidad del refuerzo de CFRP

Tras el refuerzo de fibra de carbono, la capacidad portante y la ductilidad de las columnas del marco se pueden mejorar significativamente.

La estructura original consiste en una columna de 800 x 800 mm con una altura de 3,6 m. Según los resultados de la investigación, la capacidad de corte de la envoltura de CFRP puede mejorarse mediante el cálculo de prensado.

Para todo el esquema de envoltura del proyecto, la fórmula es

La resistencia de diseño del hormigón es C40. Según este cálculo, la capacidad de corte de una sola columna debería ser de 1312 kN. Para las tres columnas con menor resistencia, la resistencia mínima del hormigón es de 28,3 MPa y la capacidad de corte es de 1031 kN sin refuerzo. Al revestir tres capas de CFRP, el aumento de la capacidad portante es de 319 kN y la capacidad portante total es de 1350 kN, superior a la capacidad portante de diseño. Para las otras 6 columnas, la resistencia mínima del hormigón es de 35 MPa y la resistencia al corte de 1209 kN sin refuerzo. Al revestir dos capas de fibra de carbono, el aumento de la capacidad portante es de 246 kN y la capacidad portante total es de 1455 kN, superior a la capacidad portante de diseño.

Según los resultados de las pruebas, al determinar la relación de compresión axial, el coeficiente de ductilidad de las columnas de revestimiento de CFRP aumenta linealmente con la resistencia al corte y el coeficiente de flexión débil Vs/Vm. Cuando la relación de compresión axial es de 0,48, se aplica la siguiente fórmula de ajuste.

μ=-1.278+5.233Vs/VM

De la fórmula anterior se desprende que cuanto mayor sea la resistencia al corte de la fibra de carbono, mayor será la relación Vs/VM y el factor de ductilidad.

Además, según la literatura, cuando el coeficiente de ductilidad permanece invariable, el coeficiente característico del estribo guarda la siguiente relación con la relación de compresión axial:

La fórmula anterior muestra que al aumentar la relación de compresión axial, la relación circunferencial debe aumentarse adecuadamente para mantener el coeficiente de ductilidad sin cambios.

Según una estimación conservadora, suponiendo que la relación de compresión axial de las columnas aumenta en 0,3 debido a la disminución de la resistencia del hormigón, el incremento correspondiente del coeficiente característico del estribo es de 0,066, y el nuevo coeficiente característico del estribo de CFRP es de 0,097, lo que cumple plenamente los requisitos.

Del análisis anterior se desprende que la cantidad de revestimiento de CFRP debe determinarse en función de la capacidad portante y el índice de ductilidad cuando las columnas de hormigón armado se refuerzan con revestimiento de CFRP para mejorar la capacidad sísmica.