Evaluación de GFRP

Una alternativa no metálica a las barras de refuerzo de acero que refuerzan las cubiertas de los puentes de hormigón tiene el potencial de ser más duradera y más rentable para mantener los puentes en el duro clima de Minnesota. Los estudios iniciales muestran que el rendimiento de las cubiertas de puentes construidas con polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP) es comparable, si no mejor, que las cubiertas de construcción convencional.

La corrosión del refuerzo de acero incrustado en el hormigón es la causa principal de la degradación del tablero del puente. El daño se produce cuando la humedad y los cloruros de las sales para carreteras penetran en las superestructuras de los puentes y corroen el acero. Los ciclos de congelación y descongelación durante los duros inviernos de Minnesota pueden magnificar los efectos y provocar el agrietamiento del concreto, lo que expone aún más el refuerzo incrustado.

La barra de refuerzo GFRP es una alternativa no metálica a la barra de acero convencional que no se oxida ni se oxida, lo que la hace altamente resistente a la corrosión. El GFRP se ha utilizado como refuerzo de la plataforma del puente en partes de Canadá, pero solo ha tenido un uso limitado en los EE. UU. Investigaciones anteriores sobre el primer y (entonces) único puente de Minnesota que usaba este refuerzo alternativo encontró que el GFRP resistió la corrosión significativamente mejor que las barras de refuerzo de acero tradicionales, y no hubo problemas estructurales.

"Esta fue una excelente oportunidad para comparar directamente tableros de puentes adyacentes reforzados con GFRP y refuerzo revestido con epoxi. Las tensiones, deformaciones y desviaciones de cada tablero de puente son muy similares, y el desempeño inicial ha sido excelente", dijo Paul Rowekamp, ​​encargado de estándares de puentes. e ingeniero de investigación, MnDOT Bridge Office.

En 2018, el MnDOT construyó un par de puentes uno al lado del otro, uno con refuerzo de plataforma de GFRP y el otro con refuerzo de acero revestido de epoxi convencional, en la Carretera Troncal 169. Este proyecto de construcción presentó una oportunidad única para comparar el desempeño de los dos tipos de refuerzo ya que los puentes estuvieron expuestos a los mismos estresores ambientales y experimentaron condiciones de tráfico muy similares.

El objetivo de este proyecto era comparar el rendimiento estructural y la durabilidad de dos tableros de puentes en servicio y evaluar el potencial de GFRP como alternativa al refuerzo de acero tradicional.

Un esfuerzo multifacético que comenzó en el momento de la construcción del puente permitió una evaluación exhaustiva del desempeño de GFRP en comparación con el refuerzo de barras de acero en las cubiertas del puente. Primero, guiados por el diseño del puente, los investigadores instalaron sensores dentro de las cubiertas antes de colocar el concreto. Esto ayudó a medir la evolución de la tensión y la temperatura en las cubiertas del puente a lo largo del tiempo.

El monitoreo durante casi cuatro años incluyó la recopilación de datos de temperatura y tensión de los sensores, la evaluación de las tensiones asociadas y la comparación del rendimiento con las pautas de diseño. Las mediciones capturaron las respuestas generales y extremas de la plataforma.

La instrumentación adicional adjunta a las vigas y las cubiertas del puente midió las tensiones y deformaciones durante las pruebas de carga viva inmediatamente después de la construcción, después de un año y después de dos años. Las pruebas de carga viva replicaron los efectos de la carga del tráfico y se usaron para comprender cómo se distribuyen las cargas vivas desde los puntos de aplicación hasta el tablero del puente y las vigas individuales.

Las inspecciones visuales de la plataforma del puente cada seis meses durante todo el proyecto permitieron a los investigadores evaluar el estado de ambas superestructuras del puente, documentar cualquier grieta y explicar las posibles causas en función de los datos recopilados por los sensores.

En el laboratorio, las muestras de GFRP suministradas por MnDOT se sometieron a cargas de tensión hasta que fallaron, lo que permitió a los investigadores desarrollar curvas de tensión-deformación para confirmar las propiedades mecánicas del material. Por último, los análisis de costos del ciclo de vida de las dos cubiertas del puente, incluidos los costos de construcción, materiales, mano de obra, operación y mantenimiento a largo plazo, evaluaron el potencial económico de las barras de refuerzo GFRP en comparación con el acero tradicional.

Las comparaciones de rendimiento a corto y largo plazo entre las cubiertas del puente no revelaron diferencias significativas ni comportamientos inusuales en ninguno de los dos.

Las pruebas de carga viva mostraron que el desempeño de las cubiertas del puente era comparable y consistente con las especificaciones de diseño. De manera similar, los datos de monitoreo a largo plazo revelaron que, si bien la plataforma de GFRP registró valores de deformación ligeramente más altos en general, las dos plataformas se comportaron de manera similar durante el período de monitoreo.

La primera ronda de inspecciones de los puentes encontró grietas en la superficie superior y de profundidad total en ambas cubiertas del puente. Inicialmente, el puente reforzado con acero mostró más grietas que el tablero del puente reforzado con GFRP. Los patrones de grietas se volvieron similares en ambos puentes con el tiempo; sin embargo, los investigadores notaron que las grietas en las cubiertas de GFRP son potencialmente menos preocupantes, ya que no conducen a la corrosión del refuerzo incrustado ni a más grietas en el concreto que pueden resultar de la corrosión.

"Descubrimos que el uso de polímero reforzado con fibra de vidrio en lugar de barras de refuerzo de acero recubiertas con epoxi para reforzar las cubiertas de los puentes da como resultado una mayor resistencia a la corrosión, menores necesidades de mantenimiento y una vida útil más larga para los puentes de Minnesota", dijo Behrouz Shafei, profesor asociado de la Universidad Estatal de Iowa. Departamento de Ingeniería Civil, Edificación y Medio Ambiente.

Las pruebas de laboratorio indicaron que la barra de refuerzo GFRP tiene una alta resistencia a la tracción, sin embargo, es más frágil que el acero, lo que resulta en una falla más repentina a diferencia de la fluencia más gradual del acero bajo tensión. Debido a que las barras de refuerzo de GFRP individuales no soportarían una capacidad excedida, cualquier falla de GFRP probablemente se prolongue más, proporcionando una advertencia de una posible falla.

Comparando los costos del ciclo de vida de los dos tableros del puente, el tablero de GFRP con una vida útil de 65 años es menos costoso que el tablero reforzado con acero con la misma vida útil. El diferencial aumenta a medida que aumenta la vida útil objetivo de la plataforma de GFRP.

Si bien las barras de refuerzo GFRP han funcionado bien durante aproximadamente cuatro años en dos cubiertas de puentes, es demasiado pronto para que MnDOT adopte definitivamente el nuevo material, ya que los puentes generalmente se diseñan con una vida útil de 75 años. Los próximos años proporcionarán más información sobre el desempeño de GFRP y la agencia continuará investigando su uso.