¿Pueden las placas de fibra de carbono reforzar las columnas circulares de hormigón?

Según ACI 440, la respuesta es sí.

Los laminados de CFRP unidireccionales (placas de carbono) están permitidos como refuerzo de tracción longitudinal externo para columnas circulares deficientes en capacidad de flexión o gran resistencia a la compresión excéntrica.

Función primaria de las placas verticales del CFRP: Rebars de acero longitudinales internos del suplemento para impulsar la fuerza flexural y para agrandar el sobre P-M de la interacción bajo cargas axiales excéntricas.

Pero

Restricción obligatoria crítica de ACI 440.2R: Las placas longitudinales de CFRP no se pueden instalar sin envolturas de confinamiento de FRP transversales. Las placas verticales sin restricciones violan las reglas de detalle prescriptivas; el crédito de diseño completo para la resistencia a la tracción/compresión de CFRP no se permite en los cálculos formales de resistencia si no se proporciona confinamiento transversal.

¿Hay un beneficio estructural significativo cuando solo las placas verticales de CFRP están unidas a una columna circular (sin envoltura transversal de FRP)?

Beneficio teórico marginal (solo uso correctivo temporal, no permanente)

Las fibras CFRP orientadas verticalmente sólo resisten la tensión axial. Bajo flexión pura o gran carga excéntrica controlada por tensión, las placas comparten la fuerza de tracción en el lado de tensión de la sección, reduciendo marginalmente el ancho de la grieta flexural y aumentando ligeramente la resistencia a la flexión nominal para condiciones de servicio estático a corto plazo.

Ininconvenientes críticos severos limitados por código

1) Sin confinamiento concreto; mejora insignificante en la capacidad axial concéntrica/pequeña excéntrica

2) Mejora de la capacidad de cizallamiento cero

3) Desunión temprana y deslaminación de CFRP gobernada por los límites de tensión de enlace

4) Insuficiente ductilidad, no conforme para readaptamientos sísmicos

Por lo tanto, la combinación de placas CFRP precuradas verticales de envoltura transversal completa de FRP (esquema de retrofit compatible con el estándar ACI)

Las placas de CFRP envuelven columnas eliminando todas las deficiencias de la unión de la placa vertical solamente mientras que simultáneamente mejora la flexión, la compresión axial, el esquileo, y el funcionamiento sísmico.

1) Papel independiente de las placas precuradas verticales del CFRP

Suplemento refuerzo longitudinal externo para aumentar la resistencia a la flexión nominal para flexión y compresión excéntrica grande; expande el lado de tensión de la curva de interacción P-M de la columna.

Limita la apertura de grietas flexurales verticales bajo cargas cíclicas laterales, reduciendo la deflexión a nivel de servicio y mejorando la estabilidad de rigidez.

Defina las deficiencias de diseño cuando el refuerzo de acero longitudinal interno está corroído, de tamaño insuficiente o dañado.

2) Contribuciones obligatorias multifuncionales de envolturas transversales de FRP

• El confinamiento pasivo para la capacidad compresiva axial impulsada

La expansión lateral del hormigón comprimido activa la tensión de tracción en las fibras FRP circunferenciales, aplicando presión de confinamiento pasiva uniforme, elevando significativamente la resistencia a la compresión máxima y la tensión de compresión final del hormigón central, mejorando drásticamente la resistencia de carga concéntrica y excéntrica pequeña.

• Refuerzo de cizallamiento externo para suprimir la falla de cizallamiento frágil

Las fibras circunferenciales de FRP actúan como estribos transversales externos continuos, resistiendo directamente la tensión de corte diagonal. Eliminación del riesgo de colapso prematuro por cizallamiento bajo carga lateral y sísmica.

La envoltura transversal completa sujeta firmemente las placas de CFRP verticales contra el sustrato cilíndrico, suprimiendo el pandeo fuera del plano de las placas laterales de compresión y disminuyendo la tensión de cizallamiento interfacial por debajo del umbral de deformación de desunión. Esto permite la utilización completa del diseño de la resistencia a la tracción de CFRP sin factores de reducción de tensión excesivos.

• Mejora de rendimiento de ductilidad y sísmica

Confinado exhibe una larga meseta de tensión-deformación plástica posterior al pico, lo que permite una gran deriva lateral plástica y una disipación de energía histerética. Las barras de refuerzo longitudinales internas están restringidas contra el pandeo compresivo. Las transiciones del modo del fracaso del colapso frágil repentino al rendimiento flexural tensión-controlado dúctil, satisfaciendo todos los límites sísmicos de la ductilidad y de la deriva del ACI para las columnas reequipadas.

• Durabilidad y protección contra la corrosión

El envoltorio de FRP transversal continuo sella microgrietas superficiales, bloqueando la entrada de humedad, iones de cloruro y agentes de carbonatación. La barrera de FRP protege el refuerzo de acero interno contra la corrosión, permitiendo factores de reducción ambientales relajados en la calibración a largo plazo de la fuerza.

3) Rendimiento combinado sinérgico (1 1 > 2)

• Mejora de la capacidad de espectro completo: la flexión, la carga axial excéntrica, la compresión concéntrica y la resistencia al cizallamiento son cuantificables mediante ecuaciones ACI estandarizadas.

• Acción compuesta compatible: las envolturas transversales resuelven los defectos fatales del debonding/del pandeo de las placas verticales independientes del CFRP, asegurando la interacción compuesta completa entre el FRP y el substrato concreto.

• Jerarquía de fallas dúctiles controlables: Garantiza que el rendimiento de flexión precede a la trituración de concreto o la ruptura por corte, alineándose con el principio de diseño central de ACI de respuesta estructural dúctil bajo cargas extremas.

• Flujo de trabajo de diseño validado por código: Cada métrica de rendimiento (flexión, cizallamiento, confinamiento, deformación de desunión, ductilidad sísmica) tiene procedimientos de cálculo explícitos, que satisfacen los criterios de revisión, inspección y aceptación de terceros para las adaptaciones estructurales.

Tabla Resumen Comparativo