¿Es Eficaz la Fibra de Carbono para Reforzar Pilares de Hormigón Armado?

Ensayo comparativo de compresión axial en el laboratorio de Horse Construction: cilindros de hormigón en masa frente a una y dos capas de envolvimiento circunferencial con CFRP — cargas de pico, modos de rotura y el principio de confinamiento detrás de las cifras, con referencia a la práctica de proyecto ACI 440.2R.

Resumen del Ensayo

El refuerzo de pilares es una de las aplicaciones más comunes —y más malinterpretadas— del CFRP en la rehabilitación estructural. Dado que el tejido de fibra de carbono solo es resistente en la dirección de las fibras y no soporta nada a compresión, los ingenieros ajenos al campo del FRP suelen plantear una pregunta justa: ¿cómo puede un tejido fino, envuelto alrededor de un pilar, hacer que ese pilar soporte más carga?

Para responder con datos en lugar de teoría, el laboratorio de Horse Construction realizó un ensayo comparativo de compresión axial sobre probetas de hormigón representativas de elementos estructurales solicitados axialmente. Se ensayaron tres grupos:

Grupo de control — hormigón en masa (sin refuerzo);

Grupo de una capa — hormigón envuelto con una capa circunferencial de CFRP;

Grupo de dos capas — hormigón envuelto con dos capas circunferenciales de CFRP.

El objetivo era hacer directamente visible el efecto de confinamiento del envolvimiento circunferencial con CFRP: su influencia en la capacidad portante, la deformación, el comportamiento frente a fisuración y la resistencia a compresión última.

Montaje del Ensayo y Preparación de Probetas

Se utilizaron probetas cilíndricas de hormigón de 150 mm de diámetro y 450 mm de altura, lo que da una relación altura-diámetro de 3 — configuración de pilar corto que aísla el comportamiento del material y del confinamiento de los efectos globales de esbeltez.

Para los grupos reforzados, el tejido de fibra de carbono se cortó según especificación con una longitud de solape circunferencial suficiente, conforme a la práctica estándar de instalación de FRP (la continuidad del solape es lo que permite que el envolvimiento actúe como un anillo cerrado y no como una banda abierta). Se preparó y aplicó uniformemente un adhesivo de impregnación (saturación) compatible, alisando las burbujas de aire en una sola dirección para evitar zonas ricas en resina o zonas secas. Cuando se aplicó una segunda capa, se instaló únicamente después de que la primera alcanzara el estado exento de pegajosidad — el mismo intervalo entre capas exigido en obra real.

Tras el curado completo, todas las probetas se ensayaron a compresión axial con una velocidad de carga constante, registrando la respuesta completa —desde la fisuración inicial y la deformación hasta la rotura final— para cada grupo.

Resultados del Ensayo de Compresión

Hormigón en masa (control)

Una capa de CFRP

Dos capas de CFRP

*Resistencia = carga de pico ÷ área bruta de la sección transversal (π × 75² = 17.671 mm²).

Los procesos de rotura fueron tan distintos como las cifras. La probeta de hormigón en masa anunció su límite pronto: se desarrollaron fisuras verticales, la superficie se desprendió y el cilindro se aplastó de forma frágil cuando su núcleo no confinado dejó de soportar la carga. Las probetas envueltas se comportaron de forma diferente desde la primera fisura: se desarrollaron sonidos de fisuración dentro del hormigón, pero la camisa de CFRP mantuvo la sección unida, la expansión lateral quedó restringida y las probetas siguieron soportando carga creciente mucho más allá del límite del grupo de control. La rotura de las probetas envueltas solo se produjo cuando el propio tejido de carbono se rompió en la dirección circunferencial — la rotura súbita y sonora característica de una camisa de confinamiento que por fin se ha estirado hasta su límite.

Qué Muestran las Cifras

Dos resultados merecen atención:

El confinamiento funciona y escala. Una sola capa de CFRP elevó la resistencia a compresión un 24%; la segunda capa llevó la ganancia al 93%. La eficacia del confinamiento crece con la rigidez de la camisa: más fibra circunferencial significa más restricción lateral por unidad de expansión del hormigón.

El tejido nunca soporta la carga vertical — y aun así hace el trabajo. Toda la fuerza axial fue soportada por el núcleo de hormigón. El CFRP actuó puramente como restricción a la deformación lateral del hormigón, y aun así produjo casi el doble de capacidad con dos capas. Esta es la mecánica esencial del refuerzo de pilares con FRP.

El Principio Subyacente: Confinamiento Pasivo

Bajo compresión axial, el hormigón no solo se acorta: se expande lateralmente. Sin restricción, esta expansión abre fisuras verticales, divide el recubrimiento y desencadena el aplastamiento frágil en la resistencia uniaxial del hormigón.

Una camisa de FRP circunferencial cambia ese mecanismo. A medida que el hormigón intenta expandirse, deforma la camisa en la dirección circunferencial; la camisa, extremadamente rígida y resistente a tracción, empuja de vuelta con una presión de confinamiento lateral. El núcleo de hormigón queda así en un estado triaxial de tensión de compresión, y el hormigón confinado triaxialmente soporta tanto una tensión axial mucho mayor como una deformación axial mucho mayor antes de la rotura.

Esta es la base de los modelos de proyecto utilizados internacionalmente. El ACI 440.2R, guía principal para sistemas FRP adheridos exteriormente, evalúa la resistencia a compresión confinada del hormigón circular con modelos tipo Lam-and-Teng, en los que la resistencia confinada crece con la presión de confinamiento que aporta la camisa; los boletines fib siguen la misma teoría del hormigón confinado. Dos detalles de proyecto merecen mención:

La camisa es pasiva. No hace nada hasta que el hormigón se expande. Su contribución se moviliza por deformación — por eso el confinamiento mejora la ductilidad de forma mucho más drástica que la resistencia, y por eso esta demostración muestra un cambio de comportamiento, no solo una cifra mayor.

La deformación de rotura gobierna. La camisa trabaja solo hasta la rotura circunferencial, por lo que las guías de proyecto limitan la deformación circunferencial efectiva por debajo de la deformación de tracción última del material, considerando el estado tensional multiaxial en las fibras curvadas, la curvatura en el perímetro de la sección y las tolerancias de instalación.

Qué Significa Esto para Pilares Reales

Trasladado del laboratorio a la estructura, el envolvimiento circunferencial con CFRP aporta tres cosas que importan al ingeniero de proyecto:

Capacidad axial para pilares cuyas cargas han crecido —plantas adicionales, cambio de uso, equipos más pesados— sin ampliar la sección ni añadir peso significativo;

Ductilidad, la propiedad que decide si un pilar sobrecargado se degrada gradualmente o falla de forma frágil y súbita. En regiones sísmicas, suele ser la razón principal para envolver pilares;

Resistencia a cortante, ya que la misma camisa circunferencial que confina el núcleo también restringe las fisuras diagonales de cortante que gobiernan la rotura por cortante del pilar.

Una aclaración para los redactores de especificaciones: el envolvimiento circunferencial es una medida de confinamiento y cortante. El refuerzo a flexión de un pilar —cuando ese es el requisito— exige fibra longitudinal, un detalle distinto con una finalidad distinta.

Límites de la Demostración

Una comparación de laboratorio es una demostración de mecanismo, no un sustituto del proyecto. Límites honestos de este ensayo:

Las probetas de 150 × 450 mm son pilares cortos; los pilares reales deben verificarse además frente a esbeltez y efectos de segundo orden, que el confinamiento no resuelve.

La eficiencia del confinamiento es máxima en secciones circulares. Los pilares rectangulares solo se confinan eficazmente tras el redondeo de esquinas, y su demanda de camisa se calcula de forma distinta según el ACI 440.2R.

El ensayo utilizó carga monotónica. El beneficio de ductilidad que hace tan valiosas las camisas de FRP en la rehabilitación sísmica se verifica mejor bajo carga cíclica invertida.

La capacidad de proyecto en una obra real debe proceder de un cálculo específico del proyecto con las propiedades cualificadas de los materiales reales: los porcentajes anteriores describen estas probetas, no un multiplicador garantizado para cualquier pilar.

Conclusión

Entonces, ¿es eficaz la fibra de carbono para reforzar pilares de hormigón armado? El ensayo de compresión da una respuesta concreta: envueltos circunferencialmente, una capa de CFRP elevó la resistencia a compresión de las probetas un 24%, y dos capas un 93%, transformando además el modo de rotura de aplastamiento frágil en una respuesta dúctil y confinada. El tejido no soporta carga axial alguna; su cometido es mantener unido el hormigón — y, como muestra el ensayo, lo hace notablemente bien.

https://www.youtube.com/shorts/wqpDzn-foTU

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Horse Construction es un fabricante con sede en Shanghái de materiales de refuerzo estructural, con dos líneas completas de productos avaladas en proyectos de más de 100 países — y un laboratorio propio donde sistemas como el anterior se ensayan antes de llegar a su obra:

Sistemas de fibra de carbono — tejido CFRP, laminados CFRP, sistemas de laminados CFRP pretensados, barras y cordones de carbono, con epoxis de impregnación correspondientes;

Adhesivos estructurales — adhesivo para encolado de acero, adhesivo para anclaje de armaduras, adhesivos para inyección y relleno de fisuras y adhesivo para juntas de dovelas.

Si su proyecto incluye refuerzo de pilares, rehabilitación sísmica o trabajos similares, póngase en contacto con nosotros — haremos todo lo posible por apoyarle, desde la selección de materiales y los datos de ensayo hasta la entrega puntual.