Reforzamiento externo con CFRP de columnas de mampostería de arcilla maciza solicitadas a flexión mediante ensayos cuasi estáticos cíclicos
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Resumen
La construcción de viviendas en Colombia, a partir de la época colonial se caracterizó por estructuras en mampostería de arcilla simple (Saldarriaga, 2017), con sistemas estructurales de muros de carga, suficientes para resistir cargas gravitacionales. Sin embargo, al analizar dichas edificaciones ante cargas laterales, el desempeño de las estructuras es limitado, propio de un material frágil como la mampostería en arcilla que presenta una degradación de la resistencia a derivas del 0.3 % y 0.4% (FEMA 306, 1998). También, es común encontrar que algunas de las edificaciones estén conformadas por columnas de mampostería maciza con grandes dimensiones, las cuales se encargan de dar soporte a la estructura.
En la presente investigación se comparó el comportamiento estructural a flexión de columnas de mampostería de arcilla maciza sin y con refuerzo externo de CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer), mediante la relación entre la carga y el desplazamiento lateral. Durante la fase experimental fueron realizadas 12 columnas de sección transversal cuadrara de 0.25x0.25m y 1.75m de altura, construidas con unidades de arcilla cocida-tolete común y mortero de cemento. Las cuatro tipologías de columna fueron: la primera sin refuerzo, denominada URM y las tres siguientes con refuerzos externos denominadas CFRP600 debido a las tiras de CFRP con peso de 600g/m2 con ancho de 5cm. Las tiras transversales fueron localizadas cada 0.15m en todas las columnas, mientras que las tiras longitudinales presentaron tres tipologías diferentes: la tipo 1 cuenta con dos tiras por las cuatro caras de la columna (CFRP600_T1), la tipo 2 con dos tiras por dos caras de la columna (CFRP600_T2), y la tipo 3 con una tira por las cuatro caras de la columna (CFRP600_T3).
En cada ensayo se aplicó la historia de carga definida a partir del ACI 374.2R (2013) y se realizó un montaje para restringir los desplazamientos y giros de la columna en la base. En la parte superior, un cilindro hidráulico ejerció la carga lateral requerida para cada desplazamiento. Las tres columnas URM registraron desplazamientos de 7mm, 6mm, y 7mm, la acción de una carga lateral fue de 36 kg, 25kg y 45 kg, mientras que en las columnas con refuerzo externo CFRP600_T1, CFRP600_T2 y CFRP600_T3 se registraron desplazamientos máximos de 106mm, 105mm, 106m ante cargas laterales de 890 kg, 931 kg y 828 kg. Lo anterior mostró un notable mejoramiento en el comportamiento mecánico, ya que todas las columnas reforzadas soportaron desplazamientos superiores a 7mm, que corresponde al mayor alcanzado en las columnas sin refuerzo. También se evidenció que las unidades de mampostería que conforman la columna se mantuvieron confinadas después de la falla, evitando el desplome, colapso o caída súbita de la columna.
El reforzamiento estructural externo de columnas de mampostería con CFRP permitió que las columnas tuvieran mayor capacidad de resistencia ante carga lateral, así como desplazamientos más grandes sin presentar daños, además de mantener el confinamiento de la columna después de la falla, disminuyendo la vulnerabilidad sísmica de las estructuras construidas en mampostería simple. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
Housing construction in Colombia, beginning in the colonial period, was characterized by unreinforced clay masonry structures (Saldarriaga, 2017), with load-bearing wall systems to resist self-weight loads. However, when subjected to lateral loads, the performance of these structures is limited, as expected for a brittle material such as unreinforced clay masonry. Failure occurs at low-lateral displacements, with drifts of 0.3 %. Moreover, it is common to find buildings composed of large-dimension, massive clay masonry columns that provide structural support.
This research compared the flexural structural behavior of solid clay masonry columns without and with external CFRP reinforcement (Carbon Fiber Reinforced Polymer), based on the relationship between load and lateral displacement. During the experimental phase, five column typologies were tested: the first, without reinforcement, was designated URM, while the remaining four incorporated external CFRP strips of 4 cm in width. Transverse strips were placed every 0.15 m, while longitudinal strips varied according to typology: Type 2 with two strips on all four faces (CFRP600_T1), Type 3 with two strips on two faces (CFRP600_T2) and Type 4 with one strip on all four faces (CFRP600_T3).
Each test applied the loading history defined by ACI 374.2R-13 (2013), with a setup to ensure column fixity at the base and to prevent displacements and rotation. At the top, a hydraulic jack applied the lateral load corresponding to each target displacement. Previous studies by Galal et al. (2012) and Ashour et al. (2018) which implemented similar setups, were also consulted. The URM column recorded a displacement of 7mm under a lateral load of 40.9kg, in contrast, the reinforced columns CFRP600_T1, CFRP600_T2 and CFRP600_T3 reached maximum displacements of 101 mm, 105 mm and 106 mm under lateral loads of 889 kg, 931 kg and 828 kg. These results demonstrate a significant improvement in mechanical performance, as all reinforced columns exceeded the failure displacement established in the first loading cycle (7 mm). Furthermore, the masonry units remained confined after failure, preventing collapse or sudden column failure.
External CFRP reinforcement of masonry columns increased lateral load resistance, allowed larger displacements without damage, and maintained column confinement after failure. This outcome reduces the seismic vulnerability of structures built with unreinforced clay masonry.
Descripción
ilustraciones a color, diagramas, fotografías, tablas