Reforzamiento de Mamposteria With FRP - ECI Handouts
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7/23/2019 Reforzamiento de Mamposteria With FRP - ECI Handouts
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www.sgh.com
Reforzamiento de Mamposteracon Materiales Compuestos FRP
Gustavo Tumialan, Ph.D., P.E.
MAESTRA EN INGENIERA CIVILESCUELA INTERNACIONAL DE VERANO
Bogot,D.C.,Julio23 de2015
AGENDA
1. Introduccin
Por que se requiere reforzar/reparar mampostera?
Tcnicas de reforzamiento de mampostera
2. Diseo del reforzamiento con FRP ACI 440.7R
Reforzamiento de muros para cargas perpendiculares al plano
Reforzamiento por Flexin
Reforzamiento de muros para cargas en el plano
Reforzamiento por Corte
Limitaciones
3. Consideraciones para los detalles
Anclaje, continuidad de carga
4. Errores comunes de diseo
5. Estudios de casos
2
INTRODUCCION
Mampostera es el material de construccin mas antiguo
Gran stock de estructuras histricas de mampostera
Mampostera es uno de los materiales de construccin
contempornea mas comn
El 70% de la poblacin mundial vive o usa edificaciones de
mampostera; el 30% de esas personas vive en zonas ssmicas Presente en muchas estructuras de concreto o metlicas
Mampostera no reforzada es susceptible a fallas
causadas por eventos naturales o eventos causados por
el hombre
Sismos, Viento (huracanes, tornados), explosiones
Fallas de mampostera no reforzada es una de las principales
causas de daos materiales y prdida de vidas humanas
durante un evento ssmico (FEMA and TMS)
3
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Por que se requiere reforzar/reparar mampostera?
Modificacin estructural
Reconfiguracin estructural: renovaciones
Requerimientos de la Norma
Actualizacin de normas
Deficiencia estructural
Proveer suficiente capacidad estructural
Corregir errores de construccin / diseo
Dao estructural
Sismos
Viento
Asentamientos
5
Necesidad de reforzar/reparar mampostera requieredel desarrollo de guas para diseo y constr uccin
TECNICAS DE REFORZAMIENTO DE MAMPOSTERIA
ASCE 41-13 Apuntalamiento
Temporal o permanente
Elementos rigidizantes
Metlicos o concreto
Recrecimiento de seccin
Construccin de mampostera nueva
Reforzamiento interno
Insercin de barras de acero
Revestimientos
Concreto o mortero reforzado
Sistemas FRP
Lminas
Barras
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Apuntalamiento
Apuntalamiento
Antes Desp us
Revestimiento con Shotcrete (Concreto Lanzado)
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Elementos Rigidizantes
Seccin tubular
Perno y planchade acero
Bloques rellenoscon grout
Muro demampostera
Recrecimiento de Seccin
Reforzamiento con Barras de Acero
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Reforzamiento con Barras de Acero
Lminas de FRP
Mampostera Masilla en lasjunt as 1ra capa de
epoxico
Fibra 2da capa deepoxico
Barras de FRP (NSM: near-surface-mounted)
Junta deMortero
Unidad deMampostera
Varilla deFRP de
Epoxico
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Sistemas de FRP
16
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CONSIDERACIONES PARA LA SELECCION DE FRP
Fibra de Carbn (CFRP) o Fibra de Vidrio (GFRP)?
Menor mdulo de elasticidad (E) de GFRP no es una
limitacin
E de GFRP es ms compatible con el bajo E de mampostera
GFRP es el preferido para reforzamiento de mampostera
Ms econmico y menor E
CFRP es preferible para reforzamiento de muros sujetos
a cargas sostenidas
Mayor resistencia a la deformacin bajo cargas sostenidas
(creep)
CFRP es apropiado para muros expuestos al ambiente
Durabilidad es superior
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Las barras se pueden esconder en la junta
Ms atractivo si la apariencia del muro tiene que preservada
Area de las barras esta limitada por el espesor de lajunta
Barra de en un junta de 10 mm
La preparacin de la superficie para las lminas es ms
trabajosa
Eliminar excesos de mortero y aplicacin de masillas
La instalacin de las barras es mas simple pero puede
ser mas disruptiva
Corte de ranuras en la mampostera causa ms polvo y ruido
19
CONSIDERACIONES PARA LA SELECCION DE FRP
Lminas o Barras?
AGENDA
1. Introduccin
2. Diseo del reforzamiento con FRP ACI 440.7R
Reforzamiento de muros para cargas perpendiculares al plano
Reforzamiento por Flexin
Reforzamiento de muros para cargas en el plano
Reforzamiento por Corte
Limitaciones
3. Consideraciones para los detalles
4. Errores comunes de diseo
5. Estudios de casos
20
Capitulo Contenido
1 Introduccinyalcance
2 N ot ac io ne sydefiniciones
3 M at er ia le sconstituyentesy
propiedades
4 T ra ns po rt e,almacenamientoymanejo
5 I ns ta la cin
6 I ns pe cc i n,evaluacinyaceptacin
7 M an te nimien to
y
reparacin
8 Consideracionesgeneralesdediseo
9 R ef orza mien todemurosparacargas
perpendiculares alplano
10 Reforzamientodemuros paracargasen
elplano
11 D et allad o
1 2 P la no s yespecificaciones
1 3 E je mp lodediseo
14 R ef eren cias
-
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Capitulo Contenido
1 Introduccinyalcance
2 N ot ac io ne sydefiniciones
3 M at er ia le sconstituyentesy
propiedades
4 T ra ns po rt e,almacenamientoymanejo
5 I ns ta la cin
6 I ns pe cc i n,evaluacinyaceptacin
7 M an te nimien toyreparacin
8 Consideracionesgeneralesdediseo
9 R ef orza mien todemurosparacargas
perpendiculares alplano
10 Reforzamientodemuros paracargasen
elplano
11 R ep arac i nde mamposteraagrietada
12 Confinamiento decolumnas
13 D et allad o
1 4 P la no s yespecificaciones
1 5 E je mp lodediseo
16 R ef eren cias
ACI 440.7R-XX
ACTUALIZACIONTrabajo en Proceso
Guide for the Design andConstruction of Externally Bonded
Fiber-Reinforced Polymer Systems forStrengthening Masonry Structures
REFORZAMIENTO DE MUROS PARACARGAS PERPENDICULARES AL PLANO
Reforzamiento por Flexin
Esquemas de Reforzamiento
24
Lminas Barras
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Modos de Falla
25
Prdida deAdher encia del FRP
Rotura del FRPAplas tami ento d e la
mampostera
Modo de fallamas comn
Resistencia a la Flexin
26
2
cdfAM 1ffefn
Que valores param
?fumfe ff
Resistencia a la flexion: ffe: esfuerzo efectivo
Prdida de adherencia es la falla mas comn
Para propsitos de diseo: limitar el esfuerzo efectivo para prevenir
esta falla
FACTOR DE REDUCCION PARA FLEXION m
m = fe/fu factor de eficiencia
f cuanta modificada de FRP para mampostera
f captura la influencia de los parmetros queinfluencian el comportamiento de un muro en flexin:
Cuanta de FRP: f= Af / bm df Modulo de elasticidad de FRP: Ef
Resistencia a la compresin de la mampostera: f m
Esbeltez: h/t
t/hfE
'm
fff
Calibrado usando una base de datos:
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28
m = 0.45
Lminas de FRP
FACTOR DE REDUCCION PARA FLEXION m
29
m = 0.35
Barras de FRP
FACTOR DE REDUCCION PARA FLEXION m
Limi taciones Carga Perpendicular al Plano
FRP es efectivo para muros que se comportan como
muros simplemente apoyados
No es recomendado para muros con esbeltez (h/t)
mayores de 18
Basado en la base de datos usada en ACI 440.7R
h/t especificado en los cdigos de construccin en USA Riesgo de efecto P-Delta (inestabilidad)
No es necesario ni recomendado para muros con
esbeltez (h/t) baja tpicamente h/t menor a 12
Muros construidos entre apoyos rgidos
Muros robustos pueden desarrollar arqueamiento
capacidad de resistir cargas mayores
FRP no es efectivo
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Qu es arqueamiento?
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Muros gruesos construidos
entre apoyos rgidos
PROCEDIMIENTO DE DISEO PARAREFORZAMIENTO POR FLEXIN
Supuestos para el diseo: Las deformaciones unitarias en el FRP y mampostera son
directamente proporcional a su distancia al eje neutro
La mxima deformacin utilizable en compresin:
0.0035 para mampostera de arcilla
0.0025 para mampostera de concreto
FRP es linealmente elstico hasta la falla
La contribucin de la mampostera en tensin y la contribucin
del FRP en compresin son nulas
No existe deslizamiento relativo entre el FRP y la mampostera
hasta que la falla por perdida de adherencia ocurre
El muro reforzado se comporta como un elemento simplemente
apoyado, o de una forma muy similar.
Arqueamiento no ocurre
Diseo por resistencia ultima:
= 0.60 mampostera no reforzada similar to TMS 402 / ACI 530
Resistencia a la flexin nominal:
MuMn
2
c
2
tPu
2
cdfAMn 11ffef
Deformacin efectiva fe:*fuE
*fummfe C
c
cd
FRPdebarraspara35.0
FRPdeadosminlapara45.0m
PROCEDIMIENTO DE DISEO PARA REFORZAMIENTO POR FLEXIN
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Con di ci ones de Exp os ici n Ti po de Fi bra CE
Exposicin interior
(particiones)
Carbn 0.95
Vidrio 0.75
Aramida 0.85
Exposicin exterior
(muros exteriores, incluyendo el
lado interno de muros
exteriores)
Carbn 0.85
Vidrio 0.65
Aramida 0.75
Ambiente agresivo
(muros en stanos)
Carbn 0.85
Vidrio 0.50
Aramida 0.70
Factores de Reduccin por Exposicin al Medio Ambiente
No son considerados en el diseo
Coeficientes m son bajos
Coeficientes m
controlan sobre los coeficientes CE
Se pueden usar coeficientes m si son justificados por ensayos
PROCEDIMIENTO DE DISEO PARA REFORZAMIENTO POR FLEXIN
Coeficientes de Reduccin por Exposicin al Medio Ambiente:
REFORZAMIENTO DE MUROS PARACARGAS EN EL PLANO
Reforzamiento por Corte
Consideraciones Generales
Fallas en muros con carga en el plano:
Tensin diagonal
Deslizamiento
Balanceo
Aplastamiento
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Tensin Diagonal Deslizamiento Balanceo Aplastamiento
Fomentar falla por deslizamiento o balanceo
Mas dctiles
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Esquemas de Reforzamiento
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Lminas Barras
Esquemas de Reforzamiento
38
Lminas
Modos de Falla
39
Modo de falla del FRP: Perdida de Adherencia del FRP
Lminas
Barras
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Resistencia al Corte
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Que valores para v ?fuvfe ff
ffe: esfuerzo efectivo
Prdida de adherencia es la falla mas comn Para propsitos de diseo: limitar el esfuerzo efectivo para prevenir
esta falla
Resistencia al corte: fmn VVV
f
vfeff
s
dfAV
f
vfuvff
s
d)f(AV
s
dfA5.0V
vyvs
FRP :
Acero :
f
vfufvf
s
dfAV
TMS 402 / ACI 530
FACTOR DE REDUCCION PARA CORTE v
v = fe/fu factor de eficiencia fv : cuanta modificada de FRP para mampostera
fv captura la relacin entre la resistencia del FRP yla resistencia al corte de la mampostera
Calibrado usando una base de datos:
'mm
fffv
fA
EA
42
Lminas de FRP
FACTOR DE REDUCCION PARA CORTE v
45.010.0
45.020.02.164.0
20.040.0
f
ff
f
v
-
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Barras de FRP
FACTOR DE REDUCCION PARA CORTE v
45.010.045.020.02.164.0
20.040.0
f
ff
f
v
Diseo por resistencia ultima:
= 0.80 similar a TMS 402 / ACI 530
= 0.60 NSR-10 para mampostera reforzada
VuVn
Resistencia nominal al corte:
VfVmVn
Vm: resistencia al corte de mampostera no reforzada
PROCEDIMIENTO DE DISEO PARAREFORZAMIENTO POR CORTE
f
vfufv
s
dfAVf
'mm
fffv
fA
EA
45.0for10.0
45.020.0for2.164.0
20.0for40.0
f
ff
f
v
Cuanta modificada de FRP para mampostera :
Vm contribucin de la mampostera?
45
NSR-10: Titulo D Mampostera Estructural
Vm = 2.5 x Fv
Vm para diseo por resistencia ultima:
Factor 2.5 usado por TMS 402 / ACI 530 para
convertir esfuerzos admisibles a esfuerzos ltimos
-
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Con di ci ones de Exp os ici n Ti po de Fi bra CE
Exposicin interior
(particiones)
Carbn 0.95
Vidrio 0.75
Aramida 0.85
Exposicin exterior
(muros exteriores, incluyendo el
lado interno de muros
exteriores)
Carbn 0.85
Vidrio 0.65
Aramida 0.75
Ambiente agresivo
(muros en stanos)
Carbn 0.85
Vidrio 0.50
Aramida 0.70
Factores de Reduccin por Exposicin al Medio Ambiente
No son considerados en el diseo
Coeficientes v son bajos
Coeficientes v
controlan sobre los coeficientes CE
Se pueden usar coeficientes v si son justificados por ensayos
PROCEDIMIENTO DE DISEO PARA REFORZAMIENTO POR CORTE
Coeficientes de Reduccin por Exposicin al Medio Ambiente:
Limitaciones Corte en el plano
47
Masonry Type Wall ConstructionFRP Strengthening
Layout
Hollow unit
masonry wall
t = 8 in. or less
Ungrouted or partially grouted walls
with grouted cells spaced greater than 48 in.
FRP on one face of
wall is acceptable
t = 8 in. or less
Fully grouted or partially grouted walls with
grouted cells spaced at 48 in. or l ess
FRP on two faces of
wall is required
t = 10 to 12 in.
Ungrouted or partially grouted walls with
grouted cells spaced greater than 60 in.
FRP on two faces of
wall is required
t = 10 to 12 in.
Fully grouted or partially grouted walls with
grouted cells spaced at 60 in. or less
Use of FRP is not
recommended
t greater than 12 in.
Ungrouted or grouted
Use of FRP is not
recommended
Solid unit
masonry wall
Single-wythe walls with
t = 4 in. or less
FRP on one face of
wall is acceptable
Double-wythe walls with
t = 8 in. or less
FRP on two faces of
wall is required
Multi-wythe walls with
t > 8 in.
Use of FRP is not
recommended
ACI 440.7R Table 10.1
Limitaciones Mampostera hueca
48
NO FRPFRP FRP
FRP(Un lado) FRP
(Dos lados)
-
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Limitaciones Mampostera maciza
NO FRPFRP FRP
FRP
(Un lado)FRP
(Dos lados)
Prticos rellenos con mampostera
Tema no incluido en ACI 440-7R
Cantidad limitada de ensayos
disponibles en la literatura
Resultados interesantes y
prometedores
Incremento marginal de
capacidad con incrementos
substanciales en capacidad de
deformacin
Strong Frame Weak Infill
Contribucin del puntal decrece
con la formacin de fisuras y
grietas
50
FRP contribuye a controlar el fisuramiento
El puntal no se degrada
Fallas de mampostera en prti cos
51
Tensin Diagonal
Aplastamiento
de las esquinas
-
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Prticos rellenos con m ampostera
Pontificia Universidad Catlica del Per
53
Prticos rellenos con m ampostera
Muro reforzado
Muro no reforzado
(participante)
Prtico
Muro no reforzado(no participante)
0.5% 0.7%
Estructura aporticada con muros de relleno
54
Muros de mampostera
Prtico
-
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Esquema 1
55
Muros reforzados
(Refuerzo continuo)
Muros aislados
56
Puntal
Muros reforzados
(Refuerzo no continuo)
Esquema 2 Alternativa para la Continuidad de Carga
AGENDA
1. Introduccin
2. Diseo del reforzamiento con FRP ACI 440.7R
3. Consideraciones para los detalles
4. Errores comunes de diseo
5. Estudios de casos
57
-
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CONSIDERACIONES PARA LOS DETALLES
Espaciamiento del refuerzo de FRP
Flexin
Corte
Interaccin con elementos estructurales adyacentes
Restriccin del movimiento lateral
Evitar volcamiento
Vincular no vincular con FRP?
Anclaje Transferencia/continuidad de la carga (load path)
Anclaje del FRP
Anclaje del muro
58
The devil is in the detailLos detalles son importantes
Espaciamiento del Refuerzo en Muros NuevosFlexin Carga Perpendicular
59
Muro de Mampostera Reforzada
Celdas con groutBarras de acero
60
Espaciamiento del Refuerzo de FRP Flexin
Lminas de FRP
Barras de FRP
Muro de Mampostera No Reforzada
Muro de Mampostera No Reforzada
VISTA EN PLANTA
-
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61
Espaciamiento del Refuerzo de FRP Corte
Lminas de FRP Barras de FRP
SECCION TRANSVERSAL
Restriccin del Movimiento Lateral
62
Elemento de concreto
FRP
Angulos metlicosanclados al concreto
y mampostera
Muro de mampostera
63
Restriccin del Movimiento Lateral
FRP
Esbelt ez (h/t) = 16
Carga:
2,600 kg (arena)
Peso propio
3 personas
2,800 kg
Area = 1.90 m x 2.50 m
Presin = 600 kg/m2
-
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64
Restriccin del Movimiento Lateral
Esbelt ez (h/t) = 16
Carga:
2,600 kg (arena)Peso propio
3 personas
2,800 kg
Area = 1.90 m x 2.50 m
Presin = 600 kg/m2
FRP vinculado a elementos estructurales adyacentes
65
Muro de mampostera
reforzado con FRP Columnas de
concreto
FRP vinculado a
las columnas
FRP vinculado a elementos estructurales adyacentes
Elemento de concreto
Muro de mampostera
FRP
Prdida de adherencia
CARGA
Prdida de adherencia Prdida de adherencia
Prdida de adherencia
CARGACARGA
Incremento de prdidade adherencia
Incremento de prdidade adherencia
Concentracin de esfuerzos
dao localizado
CARGA
Incremento de prdidade adherencia
Incremento de prdida
de adherencia
-
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Anc laje Continuidad de carga
67
FRP continuo
Losa de concreto
Angulos metlicos
anclados al concreto
Agujeros localizados para permitir
pasaje del FRP. Rellenos con
mortero de reparacin despus de
instalar el FRP
Muro de mampostera
Anc laje Continuidad de carga
68
FRP
Losa de concretoMuro de mampostera
Perforacin a travs de las
losa de concreto para permitir
pasaje de barras de acero Celdas rellenas con grout
despus de instalar las
barras de acero
69
Anc laje Continuidad de carga
Cimentacin de concreto
FRP
Angulos metlicos
anclados al concretoy mampostera
Muro de mampostera
-
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70
Anc laje Continuidad de carga
Cimentacin de concreto
Muro de mampostera
Celdas rellenas con grout
despus de instalar las
barras de acero
FRP
Barras de acero
ancladas al concreto
Evaluacin Experimental de AnclajesEscuela Colombiana de Ingeniera
71
Corbatines de FRP
anclados a la cimentacin
FRP adherido a un
macizo de concreto
FRP adherido a la cimentacin
FRP anclado a un macizo de concreto
72
FRP anclado a un macizo de concreto
-
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Evaluacin Experimental de AnclajesEscuela Colombiana de Ingeniera
73
FRP pasado
debajo del
macizo
Unidades
extremas
removidas ybarras ancladas
Parte superior
del macizo
Parte inferior
del macizo
74
Evaluacin Experimental de AnclajesEscuela Colombiana de Ingeniera
No AnclajeCorbatines
FRP adherido a la cimentacin
FRP adherido al macizo
FRP anclado al macizo
75
Contribucin
del FRP
Contribucin
del Acero
-
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AGENDA
1. Introduccin
2. Diseo del reforzamiento con FRP ACI 440.7R
3. Consideraciones para los detalles
4. Errores comunes de diseo
5. Estudios de casos
76
ERRORES DE DISEO COMUNES
Refuerzo en un solo lado carga perpendicular al plano
Cargas sismicas y de viento son en los dos sentidos
77
FRP?
Muros muy esbeltos carga
perpendicular al plano
Riesgo de inestabilidad
(efecto P-Delta)
Muros con esbeltez (h/t)
mayores de 18
78
FRPFRP
ERRORES DE DISEO COMUNES
P
Muro de espesor de
12 cm (Bloque No.5)Altura mxima = 2.20 m
-
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Reforzamiento en diagonal carga en el plano
79
ERRORES DE DISEO COMUNES
80
FRP
Muro demampostera
Parapeto
Losa deltecho
ERRORES DE DISEO COMUNES
Espaciamiento excesivo del FRP
81
FRP
Muro de
mampostera
ERRORES DE DISEO COMUNES
No espaciamiento (muros cubierto al 100%)
Barrera de vapor
Mampostera necesita transpirar
-
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Anclaje deficiente carga en el plano
82
Muro de mampostera
FRP
FRP adherido en
L al concreto
Muro de mampostera
FRP
No anclaje
ERRORES DE DISEO COMUNES
83
FRP?
SECCION TRANSVERSAL
ERRORES DE DISEO COMUNES
Muros gruesos carga en el plano
AGENDA
1. Introduccin
2. Diseo del reforzamiento con FRP ACI 440.7R
3. Consideraciones para los detalles
4. Errores comunes de diseo
5. Estudios de casos
84
-
7/23/2019 Reforzamiento de Mamposteria With FRP - ECI Handouts
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Trinity Church Princeton, New Jersey
85
Muros no fueron construidos de acuerdo a lo especificado:
El refuerzo de acero en corte fue omitido
Refuerzo de acero vertical omitido o celdas sin grout
El rea de las ventanas eran mas grande de lo especificado
86
Esquemas de reforzamiento
87
Barras de acero nuevas Lminas de GFRP
-
7/23/2019 Reforzamiento de Mamposteria With FRP - ECI Handouts
30/33
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Reforzamiento con l minas de GFRP
88
89
Agrietamiento severo de
muros debido a asentamientos
diferenciales
FRP usado para coser las
grietas
Devolverle al muro la resistencia
original
FRP no resuelve el problema
de asentamiento
Asegurarse que el asentamiento
se detuvo, o
Estabilizar el muro
Edificio de DepartamentosBoston, Massachusetts
90
Grietas en los muros
-
7/23/2019 Reforzamiento de Mamposteria With FRP - ECI Handouts
31/33
23/7/20
91
Reforzamiento conbarras de CFRP
Catedral de Arequipa Arequipa, Per
El terremoto de 2001 caus
daos severos a la ciudad de
Arequipa (sur del Per)
La catedral, construida en 1629,
fue una de las edificaciones ms
afectadas
92
93
Estructura original antes del Terremoto de 1868
Estructura Actual
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Esquema del Reforzamiento
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Columnas de
Concreto
Estructura
Metlica
Columnas de
Concreto
Reconstruccin
de Mampostera
Reforzamiento con
Lminas de CFRP
Viga
Collar
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Detalles del Reforzamiento
5 5 c m
55cm
55cm
55cm
55cm
55cm
25 cm.-wide
CFRPLaminate
15cm(min.)
190cm
260cm
15cm(min.)
100cm
Traslape
15cm(min.)
190cm
260cm
15cm(min.)
100cm
Traslape
15cm(min.)
190cm
260cm
15cm(min.)
100cm
Traslape
Anclaje conviga collar
Trasl
Longitud = (circunferencia de la torre/3 + 30 cm.)
A
Trasl
Longitud = (circunferencia de la torre/3 + 30 cm.)
A
Trasl
Longitud = (circunferencia de la torre/3 + 30 cm.)
A
B a 100 cm. deAB a 100 cm. deAB a 100 cm. deA C a100 cm. de BC a100 cm. de BC a100 cm. de B
Refuerzo de FRP a la Flexion
Refuerzo de FRP de Confinamiento
Planta Elevacin
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Instalacin de las lminas de CFRP
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COMENTARIOS FINALES
FRP es una alternativa viable para el
reforzamiento de mampostera
Una herramienta mas en la caja de
herramientas
97
Existen guas para ser usadas en el diseo y
construccin del reforzamiento con FRP
Tecnologas emergentes requieren que el ingeniero desarrolle
o aprenda nuevas habilidades tcnicas
Existen limitaciones para la aplicabilidad de FRP
Importante saber cuando FRP es factible
FRP es a menudo usado en combinacin con sistemas
mas tradicionales
Continuidad de carga
Restriccin del movimiento