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RESUMEN:En este trabajo se presenta la determinación
experimental de las propiedades mecánicas y estructurales de una losa para
puentes construida con Polímeros Reforzados con Fibras (PRF), específicamente
resina vinil éster reforzada con fibras de vidrio de tipo E (E-glass). Las
fibras se utilizaron en forma de tela cosida en dos dimensiones (NCF) y, por
primera vez, un trenzado en tres dimensiones. La losa está construida
adhiriendo vigas con sección triangular y dos placas planas que forman las
superficies superior e inferior del panel. El material se caracterizó primero
al nivel de especimenes de tamaño cupón, donde se determinaron sus propiedades
físicas y mecánicas. Las propiedades estructurales de las vigas se determinaron
por medio de pruebas en flexión donde se utilizó un arreglo de tres
potenciómetros para medir simultáneamente deflexiones verticales y laterales y
rotación, incluyendo el uso de un simulador de carga gravitatoria. Por último,
las propiedades en flexión del panel fueron determinadas ensayando cuatro
prototipos de las losas del ancho de cinco celdas. Se encontró alta
variabilidad en el material reforzado con el trenzado 3-D pero éste se utilizó
para reforzar las vigas en el prototipo final. Los prototipos soportaron 5.5
veces la carga de diseño, por lo que se concluyó que el diseño de estos
sistemas está dominado por límite de deflexiones y no por capacidad resistente.
Se recomendó que se desarrollen metodologías de diseño donde se calibren los
modelos de diseño con data experimental y valores de variabilidad en el
material utilizando metodologías de confiabilidad.
DESCRIPCIÓN DEL PANEL Y REFUERZOS
Basado en el trabajo de Shih (1995), se seleccionó una losa
para puentes con sección V y espesor nominal de 23 cm cuya configuración se
ilustra en la Figura 3. Para esta losa, las placas planas que forman las
superficies superior e inferior fueron manufacturadas por la técnica de
estratificación manual (hand lay-up) utilizando una matriz de resina de vinil
éster reforzada con fibra de vidrio de tipo E formada en telas cosidas
cuadriaxiales en dos direcciones (2-D quadriaxial stitched fabric), también
conocidas por su nombre en inglés como NCF. Las vigas de sección triangular
fueron en un caso manufacturadas con los mismos materiales y por la misma
técnica que las placas planas. En otro caso, estas vigas fueron manufacturadas
por la técnica de pultrusión utilizando una matriz de resina vinil éster
reforzada con fibras de tipo E formadas en un trenzado triaxial en tres
dimensiones (3-D triaxial braided preform). Todos los componentes fueron
ensamblados utilizando varios adhesivos epoxy.
La Figura 4 muestra
una representación esquemática del refuerzo NCF producida por una compañía
determinada (COTECH®). Las fibras han sido orientadas en un plano x-y, donde la
dirección 0º es paralela al eje de x. Estas fibras son cosidas en la dirección
perpendicular al eje x-y, pero éste representa de un 1% a 3% del refuerzo
total. Un resumen del proceso de manufactura de este refuerzo junto con datos
experimentales comparando las propiedades mecánicas con telas tejidas (woven)
fue presentado por Hogg y Woolstencroft (1991) y por Hörsting y otros (1993).
La Tabla 1 muestra las especificaciones de los dos tipos de NCF. Detalles del
refuerzo de cada uno de los componentes del panel que fueron reforzados con NCF
se han resumido en la Tabla 2. Hay que resaltar que se encontró que el refuerzo
de estas placas no fue colocado de forma simétrica. Esto induce acoplamiento de
deformaciones axiales y flectoras pero el material fue homogenizado colocando
una cantidad alta de sub-laminas. Se estudiaron dos versiones de las placas
superior e inferior manufacturadas por compañías distintas las cuales se
agruparon como grupos A y B.
La Figura 5 muestra un esquema de la distribución del
refuerzo de las vigas manufacturadas por la técnica de pultrusión reforzadas
con el trenzado 3-D (3-D braid). También en la figura se muestran los pesos
respectivos de cada parte del refuerzo. Las paredes de estas vigas tenían un
espesor nominal de 6 mm. A pesar de que el refuerzo principal fue el trenzado,
también se utilizaron mazos de roving (roving bundles) y capas de CSM en las
superficies exteriores.
Las distribuciones por peso de las diferentes formas de
fibras están resumidas en la Tabla 3. El refuerzo trenzado tiene las ventajas
de ser fabricado casi en su forma final de uso, las fibras son colocadas de
forma automática y rápida, controlado el proceso por computadora. Brown (1992)
presentó detalles sobre la producción de este refuerzo. Las ventajas que tiene
este proceso comparado con los laminados en 2-D son la eliminación del uso de
capas, haciendo el material resistente a delaminación. También aumenta la
capacidad a impacto. La tela trenzada está formada por seis filas por 96
columnas de hilazas fijas (fixed yarn) y por siete filas y 96 columnas de
hilazas movibles (movable yarns). Las hilazas movibles tienen una proyección
horizontal de ±70º con referencia a las hilazas fijas.
PROPIEDADES FÍSICAS
DEL MATERIAL
PROPIEDADES MECÁNICAS DEL MATERIAL
PROPIEDADES ESTRUCTURALES DE VIGAS TRIANGULARES
PROPIEDADES ESTRUCTURALES DE PROTOTIPOS DE LOSAS
CONCLUSIONES
APÉNDICE I. CÓMPUTOS DE ROTACIÓN Y DESPLAZAMIENTO
