COLUMNAS · ARTÍCULO TÉCNICO
Reforzamiento de columnas de concreto: una solución económica con laminados de FRP
Una columna de concreto débil o corroída puede reforzarse con una camisa delgada de laminado de FRP, barras nuevas en las esquinas que atraviesan la losa y grout en el espacio entre ambas. En un ejemplo de diseño, una columna de 18 x 18 pulg. (460 x 460 mm) aumenta de 51% a 80% su capacidad axial y más que duplica su capacidad a flexión, con solo 36% más de sección. Vea el ejemplo de diseño.
Puntos clave
- El método: una camisa de laminado de FRP de dos capas, barras nuevas en las esquinas que atraviesan la losa y grout en el espacio anular.
- La ganancia: de 51% (camisa cuadrada de vidrio) a 80% (camisa circular de carbono) más capacidad axial, y más del doble de capacidad a flexión.
- Poco espacio: la sección de la columna del ejemplo crece solo 36%.
- Sin estribos de acero: la camisa de laminado funciona como estribos y aísla la columna de la humedad.
- Económica: muy por debajo de 10,000 dólares por columna típica, según una estimación de febrero de 2023, y sin equipo pesado.
¿Por qué una columna de concreto necesita reforzamiento?
Las columnas de concreto reforzado de muchos edificios antiguos necesitan reforzamiento porque perdieron capacidad o nunca tuvieron la suficiente. Las causas más comunes son:
- Corrosión. En regiones costeras cálidas y húmedas y en ambientes agresivos, la corrosión del acero de refuerzo reduce la capacidad de las columnas.
- Concreto de baja resistencia. Un control de calidad deficiente durante la construcción puede dejar el concreto muy por debajo de la resistencia especificada. El Prof. Ehsani participó en la rehabilitación de dos edificios en Florida, EE. UU., con concreto de menos de 1,500 psi (10.3 MPa), solo una fracción de la resistencia de diseño.
- Refuerzo sísmico. Los marcos antiguos suelen necesitar columnas más fuertes para que, en un sismo, las vigas fluyan primero: el principio de columna fuerte y viga débil.
Algunas de las investigaciones posteriores al derrumbe de Champlain Towers South, en Surfside, Florida, también mencionaron el concreto débil y “polvoso” de las columnas como un posible factor de la falla. Sea cual sea la causa, el objetivo es el mismo: aumentar la capacidad axial y a flexión sin cerrar el edificio.
¿Funcionan las envolturas de FRP en columnas cuadradas?
Solo en parte. La tela de FRP envuelta alrededor de una columna confina el concreto y aumenta su resistencia a la compresión, y con ello su capacidad axial. Esto funciona bien en columnas circulares, pero en columnas cuadradas y rectangulares la ganancia en carga axial es limitada.
El Prof. Ehsani introdujo la reparación y el refuerzo de estructuras con FRP a finales de la década de 1980. En ese método, conocido como laminado en húmedo, las telas de fibra de carbono o de vidrio se saturan en campo con resina epóxica y se adhieren a vigas, columnas o muros. En pocas horas endurecen y aportan refuerzo a tensión para flexión y cortante. Pero la tela no se puede prolongar fácilmente a través de los pisos, así que es difícil lograr un aumento importante de capacidad axial y a flexión en una columna, y el FRP adherido aumenta poco su rigidez. Los laminados de FRP superan esas limitaciones.
¿En qué se diferencian los laminados de FRP de la tela aplicada en húmedo?
Los laminados de FRP se fabrican en planta, no sobre la columna. Hojas de tela de carbono o de vidrio de hasta 9 pies (2.7 m) de ancho se saturan con resina y pasan por una prensa que aplica calor y presión uniformes. Los laminados PileMedic® se introdujeron hace más de una década para reforzar columnas, pilotes y tuberías, y ofrecen ocho ventajas frente a la tela saturada en campo:
- Resistencia en dos direcciones, longitudinal y transversal, de hasta 155 ksi (1,070 MPa), al combinar telas unidireccionales y biaxiales.
- Delgados y flexibles: desde 0.03 pulg. (0.8 mm) de espesor, por lo que se doblan alrededor de una esquina con un radio de 2 pulg. (50 mm).
- Fabricados en planta con altos estándares de control de calidad, lo que mejora el producto terminado.
- Probados antes de la instalación, lo que asegura al ingeniero que se cumple la resistencia especificada y evita retrasos por acciones correctivas.
- Instalación más rápida en campo.
- Personalizables: el número y el patrón de las capas se ajustan a cada proyecto, lo que ahorra tiempo y dinero.
- Un encofrado estructural fijo alrededor de la columna, que crea un espacio anular para concreto y barras de refuerzo y aporta refuerzo a cortante y confinamiento.
- Separadores patentados que mantienen en su lugar las barras longitudinales nuevas y fijan la distancia entre la camisa y la columna.
¿Tiene una columna que necesita más capacidad?
Envíenos el tamaño de la columna, su refuerzo, la resistencia del concreto y las cargas. Nuestro equipo le recomendará el sistema QuakeWrap® adecuado y le proporcionará especificaciones para su ingeniero.
¿Cómo se construye la camisa de laminado alrededor de la columna?
La camisa se construye en tramos de 4 pies desde el piso hacia arriba y después se rellena. Los laminados PileMedic® se suministran en rollos de 4 pies (1.2 m) de ancho, del largo que se necesite (también hay rollos más anchos), y el detalle típico envuelve el laminado dos vueltas completas más un traslape de 200 mm (8 pulg.).
- Preparar la columnaCortar las esquinas que no tienen acero de refuerzo para reducir la ampliación y colocar separadores de plástico que definen el espacio anular.
- Colocar las barras nuevasColocar las barras longitudinales nuevas en los separadores, por ejemplo dos barras del No. 8 (25 mm) en cada esquina, y prolongarlas a través de la losa hasta el piso superior.
- Envolver la primera camisaCortar el laminado a dos vueltas más 200 mm, aplicar pasta epóxica y envolverlo para formar una camisa de dos capas adherida a sí misma, a 25 a 50 mm (1 a 2 pulg.) de la cara de la columna.
- Agregar más camisasInstalar más camisas de 4 pies de la misma forma, cada una traslapada 75 a 100 mm (3 a 4 pulg.) con la anterior, hasta cubrir la altura total de la columna.
- Rellenar el espacio anularRellenar el espacio entre la columna y la camisa con concreto o grout, con bomba o por el método tremie.
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¿La columna sigue necesitando estribos de acero?
No. La camisa de laminado PileMedic® de dos capas actúa como estribos suplementarios, que faltan en muchas columnas antiguas o dañadas por corrosión. Como no hay que amarrar estribos alrededor de las barras longitudinales nuevas, la instalación es mucho más fácil y rápida.
Protección contra la corrosión
La camisa es impermeable: evita la entrada de humedad y oxígeno a la columna. Al aislar la columna de la humedad, la tasa de corrosión se reduce drásticamente y la reparación tiene una larga vida útil.
La unión viga-columna
En regiones sísmicas, la rehabilitación del marco requiere atención a la unión viga-columna. Una opción es anclar con epóxico estribos de acero en el núcleo de la columna para que las barras longitudinales nuevas no se pandeen, y después revestir la zona con concreto y refuerzo adicional. Estas ampliaciones suelen quedar dentro del peralte de la viga y pueden ocultarse sobre el plafón. Un estudio anterior de Ehsani y Wight demostró que, a medida que aumenta la relación de resistencias a flexión, pueden reducirse los estribos requeridos en la unión, así que reforzar la columna puede facilitar la rehabilitación de la unión.
Ejemplo de diseño: reforzamiento de una columna de 18 x 18 pulg.
Estas son dos alternativas para reforzar la misma columna de 18 x 18 pulg. (460 x 460 mm) con concreto de 4,000 psi. En ambas se cortan las esquinas sin acero de refuerzo, se colocan dos barras nuevas del No. 8 (25 mm) en cada esquina, que atraviesan la losa, y la camisa se rellena con grout de 4,000 psi (27.6 MPa).
| Columna original | Opción 1: camisa cuadrada de vidrio | Opción 2: camisa circular de carbono | |
|---|---|---|---|
| Forma | 18 x 18 pulg., cuadrada | 21 x 21 pulg., cuadrada | 23.7 pulg., circular |
| Área de la sección | 324 pulg.² | 441 pulg.² | 441 pulg.² |
| Laminado | Ninguno | PLG14.13, vidrio biaxial | PLC150.10, carbono unidireccional |
| Resistencia a tensión / módulo del laminado | Ninguno | 28.7 ksi / 2,840 ksi | 156 ksi / 13,800 ksi |
| Capas en la camisa | Ninguna | 2 | 2 |
| Estribos equivalentes | Ninguno | No. 4 grado 40 a 3.7 pulg. | No. 4 grado 40 a 1.0 pulg. |
| Resistencia del concreto | f’c = 4,000 psi | 4,000 psi | Confinado f’cc = 5,150 psi |
| Capacidad axial, Pn | 1,460 kip | 2,215 kip (+51%) | 2,633 kip (+80%) |
| Capacidad a flexión, Mn | 215 kip·ft | 485 kip·ft | 499 kip·ft |
Ehsani, Concreto Latinoamérica y Concrete International, febrero de 2023. Los estribos equivalentes incluyen los factores de reducción ambiental de ACI 440.2R-17. Los valores del laminado son los publicados en 2023 y coinciden con la ficha técnica de PLG14.13 vigente entonces (febrero de 2022: 28.7 ksi de resistencia a tensión y 2,840 ksi de módulo). La ficha técnica actual de PLG14.13 (noviembre de 2024) indica 22 ksi y 1,910 ksi, y equipara dos capas a estribos del No. 4 grado 40 a 3.5 pulg. QuakeWrap garantiza sus laminados conforme a la ficha técnica vigente, así que consulte la ficha actual antes de reutilizar estos valores. 1 pulg. = 25 mm; 1 ksi = 7 MPa; 1 kip = 4.4 kN; 1 kip·ft = 1.4 kN·m.
Opción 1: camisa cuadrada de vidrio
La Opción 1 amplía la columna solo lo necesario para alojar las ocho barras nuevas, con dos capas de laminado de vidrio PileMedic®, el mínimo para este tipo de aplicación. La capacidad axial aumenta 51%, de 1,460 a 2,215 kip (de 6,500 a 9,850 kN). La capacidad a flexión más que se duplica, de 215 a 485 kip·ft (de 291 a 657 kN·m). La relación de resistencias a flexión del marco reforzado es 1.76, mayor que el mínimo de 1.2, así que cualquier articulación plástica se concentra en los extremos de las vigas: un marco de columna fuerte y viga débil.
Opción 2: camisa circular de carbono
Si además de la flexión se necesita un aumento mayor de la capacidad axial, conviene convertir la columna a una sección circular. Como el confinamiento depende de la rigidez de la camisa, se usa un laminado de carbono, más rígido y resistente, en lugar del de vidrio. Un círculo de 23.7 pulg. (600 mm) tiene la misma área que la sección de 21 x 21 pulg., así que la ampliación es la misma. La forma circular y el carbono confinan tanto el concreto original como el grout nuevo: con el método de ACI 440.2R-17, el concreto confinado alcanza 5,150 psi (35.5 MPa). La flexión casi no cambia (499 kip·ft, 676 kN·m), pero la capacidad axial aumenta 80% respecto de la columna original y 19% respecto de la Opción 1.
¿Camisa cuadrada de vidrio o camisa circular de carbono?
Elija la camisa cuadrada de vidrio cuando la columna necesita sobre todo más capacidad a flexión, y la camisa circular de carbono cuando también necesita mucha más capacidad axial. Un caso típico para la Opción 2 es una columna cuyo concreto quedó por debajo de la resistencia especificada por errores de construcción.
- Ambas opciones aumentan la sección solo 36% y más que duplican la capacidad a flexión.
- Ambas camisas aportan más refuerzo transversal del que exigen los códigos actuales.
- La Opción 1 conserva la forma cuadrada y usa vidrio, de menor costo.
- La Opción 2 da 19% más capacidad axial que la Opción 1 con la misma área.
¿Cuánto cuesta reforzar una columna de concreto?
En febrero de 2023, el Prof. Ehsani estimó que reforzar una columna típica con este sistema cuesta muy por debajo de 10,000 dólares. El costo real depende del tamaño y la altura de la columna, el acceso, el número de columnas y el diseño del ingeniero.
Los ahorros vienen de la forma en que se instala el sistema:
- Todos los materiales son ligeros y se suben a cualquier piso en elevadores de pasajeros.
- Envolver el laminado alrededor de la columna no requiere equipo pesado de izaje.
- El tamaño de la camisa se ajusta en obra, lo que reduce el espacio ocupado y evita retrasos por encofrados de tamaño incorrecto.
- El laminado reemplaza los estribos de acero, así que la reparación es más rápida y menos costosa.
¿Este sistema se ha probado de forma independiente?
Sí. Desde que se introdujeron estos laminados, varios organismos han financiado pruebas independientes en distintas aplicaciones.
| Estudio | Patrocinador | Qué abarcó |
|---|---|---|
| Reparación de emergencia de una columna de puente con barras fracturadas (Composite Structures, 2015) | Caltrans y el National University Transportation Center del USDOT | Reparación rápida de columnas de puente dañadas por sismo con laminados prefabricados de CFRP |
| Opciones de reparación para pilotes de madera (Transportation Research Record, 2015) | Departamento de Carreteras de Nebraska | Pilotes de madera deteriorados en puentes |
| Repair Systems for Deteriorated Bridge Piles (FHWA/TX-17/0-6731-1, 2017) | Departamento de Transporte de Texas | Las camisas de FRP restablecieron la capacidad de 13 de 14 pilotes H de acero corroídos |
| Programa PIER de reparación expedita de puertos | Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. | Evaluó camisas comerciales para pilotes y seleccionó una sola tecnología, PileMedic® |
| Field Operations Guide, 7.ª edición (2013) | Cuerpo de Ingenieros del Ejército de EE. UU. y FEMA | Instrucciones para instalar laminados de carbono PileMedic® en columnas y pilotes dañados por desastres |
Consulte los reportes completos en Pruebas y certificaciones.
El método está protegido por la patente de EE. UU. 9,890,546, Reinforcement and Repair of Structural Columns, y los separadores por la patente 10,808,412. Las patentes emitidas están en nuestra página de patentes (en inglés).
¿Dónde se publicó este artículo?
El Prof. Ehsani publicó este artículo en inglés en Concrete International y en español en Concreto Latinoamérica, ambos en febrero de 2023. La traducción al español correspondió al Capítulo Sureste de México: la tradujo el Mtro. Josseph Eli Mandujano Zavala, y la tradujo y revisó técnicamente el M.I. Arturo Gaytán Covarrubias. Esta página se basa en ese artículo, con datos actualizados donde fue necesario. Descargue el artículo en español (PDF).
Preguntas frecuentes sobre el reforzamiento de columnas de concreto
¿Cómo se refuerza una columna de concreto existente?
Las opciones comunes son el encamisado de concreto o de acero, las envolturas de FRP aplicadas en húmedo y las camisas de laminado de FRP rellenas de grout. Una camisa de laminado agrega barras longitudinales nuevas dentro de una camisa delgada de FRP rellena de grout, así que aumenta la capacidad axial y a flexión con un pequeño aumento de tamaño.
¿Las envolturas de FRP funcionan en columnas cuadradas o rectangulares?
Confinan bien las columnas circulares, pero la ganancia axial en columnas rectangulares es limitada. Convertir la columna a una camisa circular de laminado da mucho más confinamiento con la misma área: 80% más capacidad axial en el ejemplo, contra 51% de la camisa cuadrada.
¿Cuánto crece la columna?
En el ejemplo, una columna de 18 x 18 pulg. pasó a 21 x 21 pulg. cuadrada o a 23.7 pulg. circular, 36% más de área. La camisa queda a 25 a 50 mm de la cara de la columna, y cortar las esquinas sin refuerzo reduce la ampliación.
¿Se necesitan estribos de acero alrededor de las barras nuevas?
No. La camisa de laminado de dos capas actúa como estribos. En el ejemplo equivale a estribos del No. 4 grado 40 a 3.7 pulg. (vidrio) o a 1.0 pulg. (carbono), después de aplicar los factores de reducción ambiental de ACI.
¿El edificio puede seguir ocupado durante la obra?
Por lo general, sí. Los materiales son ligeros, se suben en elevadores de pasajeros y no requieren equipo pesado, lo que reduce las molestias para los ocupantes.
¿Qué guía de diseño aplica al reforzamiento de columnas con FRP?
La guía del American Concrete Institute para sistemas de FRP adheridos externamente, hoy ACI PRC-440.2-23 (noviembre de 2023), que sustituye a la edición ACI 440.2R-17 usada en el ejemplo. El ingeniero responsable del proyecto diseña y certifica el reforzamiento.
¿Cuánto cuesta reforzar una columna de concreto?
En febrero de 2023, el Prof. Ehsani estimó que reforzar una columna típica con este sistema cuesta muy por debajo de 10,000 dólares. El costo depende del tamaño y la altura de la columna, el acceso y el número de columnas.
Fuentes
- Mo R. Ehsani, Una solución económica para reforzamiento de columnas de concreto, Concreto Latinoamérica, febrero de 2023, pp. 12 a 19. Traducción: Mtro. Josseph Eli Mandujano Zavala y M.I. Arturo Gaytán Covarrubias, Capítulo Sureste de México.
- Mo R. Ehsani, An Economical Solution for Strengthening Concrete Columns, Concrete International, febrero de 2023, pp. 53 a 56 (en inglés).
- ACI Committee 440, Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures: Guide (ACI PRC-440.2-23), American Concrete Institute, noviembre de 2023. Sustituye a ACI 440.2R-17 (2017).
- M. R. Ehsani y J. K. Wight, Confinement Steel Requirements for Connections in Ductile Frames, Journal of Structural Engineering, ASCE, marzo de 1990.
- Y. Yang et al., Emergency Repair of an RC Bridge Column with Fractured Bars Using Externally Bonded Prefabricated Thin CFRP Laminates and CFRP Strips, Composite Structures, diciembre de 2015.
- M. Dawood et al., Repair Systems for Deteriorated Bridge Piles, FHWA/TX-17/0-6731-1, Texas Department of Transportation, abril de 2017.
- U.S. Army Corps of Engineers, PIER JCTD Spiral 1 fact sheet, y Field Operations Guide, 7.ª edición, junio de 2013.
¿Tiene columnas que necesitan más capacidad?
Cuéntenos sobre las columnas y las cargas. Nuestro equipo le recomendará el sistema QuakeWrap® adecuado y le proporcionará especificaciones para su ingeniero.