Desarrollo de mallas para cimentaciones

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Diseñar reforzamiento con tela de fibras de carbono en
zapatas de concreto reforzado para prevenir falla de rotura
por corte en suelos arcillosos
Integrantes:
Chávez Méndez Luis Alfredo
Hernández Ubaldo David
Rosario Mora Carmelo Fidel
Docente:
Arquitecto Urrutia Reyes Circe Arabelly
Institución educativa:
Instituto tecnológico superior de Xalapa
Materia:
Taller de investigación II
Lugar y fecha:
Xalapa ver. __ De julio del 2019

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Contenido
Introduccion.........................................................................................................................18
Marco teorico........................................................................................................................4
Marco conceptual ...........................................................................................................4
Marco referencial............................................................................................................5
Plantamiento del problema.................................................................................................8
Objetivos................................................................................................................................9
Objetivo general...............................................................................................................9
Objetivos especificos ......................................................................................................9
Justificacion.........................................................................................................................10
Hipotesis..............................................................................................................................11
Capitulo I .............................................................................................................................12
Capitulo II ............................................................................................................................13
Referencias.........................................................................................................................14

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1. Introducción
En la siguiente investigación se buscará un diseño de reforzamiento con materiales
compuestos por fibras de carbono en zapatas cuadradas para comprobar si es
eficiente su aplicación como reforzamiento. mediante un estudio de las propiedades
de la fibra de carbono y un análisis de las zapatas
El reforzamiento estructural mediante el uso de materiales compuesto por fibras de
carbono es novedoso ya que se pretende brindar seguridad a la estructura y
aumentar su resistencia al verse afectada por los sucesos mencionados
anteriormente, además este estudio puede ser importante ya que permite dejar una
investigación novedosa en el método de reforzamiento estructural en base a
material de fibra de carbono.

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2.Marco teórico:
2.1. Marco conceptual
 Diseño: El diseño estructural de las cimentaciones, por sí mismo, representa
la frontera y unión del diseño estructural y la mecánica de suelos. Es el
conjunto de elementos estructurales cuya misión es transmitir las cargas de
la edificacióno elementos apoyados a este al suelo distribuyéndolas de forma
que no superen su presión admisible ni produzcan cargas zonales. Debido a
que la resistencia del suelo es, generalmente, menor que la de los pilares o
muros que soportará, el área de contacto entre el suelo y la cimentación será
proporcionalmente más grande que los elementos soportados (Garza
Marquez, 2000).
 Reforzamiento: Es el procedimiento mediante el cual la aplicación de
un estímulo (llamado reforzador) hace que aumente la probabilidad de que
una conducta se repita en el futuro. El reforzador, al igual que los estímulos
aversivos, se define en función de su efecto sobre la conducta, no por sus
características inherentes. Es decir, aunque un estímulo pueda ser
considerado en general como reforzador no lo será en los casos en que no
haga más probable una conducta. (Moncayo , 2016).
 Fibra de carbono: La fibra de carbono es el desarrollo más reciente en el
campo de los materiales compuestos siguiendo la idea de unir fibras
sintéticas con varias resinas, Cada fibra de carbono es la unión de miles de
filamentos de carbono. Se trata de una fibra sintética porque se fabrica a
partir del poliacrilonitrilo. Tiene propiedades mecánicas similares al acero y
es tan ligera como la madera o el plástico. Por su dureza tiene mayor
resistencia al impacto que el acero.. (Moncayo , 2016).
 Tela de fibra de carbóno: Es un polímero que se obtiene a partir de otro
llamado poliacrilinitrilo, consistiendo en hebras muy finas de carbono, las
cuales se tuercen y agrupan continuamente para formar un hilo con varias
hebras, colocándose sobre un molde y sobre el que se vierte una resina o
plástico a fin de pegar estos hilos tejidos y darles forma en sus diversas
aplicaciones., son materiales compuestos por un 95% de carbono y un
5%´por otros componentes, estas se obtienen a partir de una fibra
precursora, generalmente poliacrilonitrilo, que es sometida a diferentes
procedimientos de transformación: Estirado (orientación), oxidación,
carbonatación y grafitización.La fibra de carbono se comercializa en forma
de tela con diferentes espesores (Moncayo , 2016).
 Zapata cuadrada: La zapata es una cimentación superficial utilizada
normalmente en terrenos con resistencia media o alta a la compresión, sobre
terrenos homogéneos. Su función es anclar y transmitir las tensiones que
genera una estructura al terreno sobre el que se encuentra. Se ubica en la
base de la estructura y suele encontrarse como un prisma de concreto debajo
de los pilares (o columnas) de la estructura (Arcus global, 2017).

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 Concreto reforzado: Consiste en la utilización de concreto reforzado con
barras o mallas de acero, llamadas armaduras. También se puede armar con
fibras, tales como fibras plásticas, fibra de vidrio, fibras de acero o
combinaciones de barras de acero con fibras dependiendo de los
requerimientos a los que estará sometido. El hormigón armado se utiliza
en edificios de todo tipo, caminos, puentes, presas, túneles y obras
industriales. La utilización de fibras es muy común en la aplicación
de hormigón proyectado o shotcrete, especialmente en túneles y obras
civiles en general. El concreto es una mezcla de arena, grava, roca triturada,
entre otros materiales, que se encuentran unidos en una masa rocosa por
medio de una pasta de cemento y agua.El acero de refuerzo es también
capaz de resistir fuerzas de compresión y se usa en columnas, así como en
otros miembros estructurales (Mccormac & Brown, 2018).
 Falla de rotura por corte: La falla de un material está asociada directamente
a la fractura de un elemento o pieza La falla de un material está asociada
directamente a la fractura de un elemento o pieza. Ocurre en una parte si
cualquiera de los esfuerzos cortantes principales excede el esfuerzo
cortante principal que da lugar a la falla en la prueba uniaxial simple
(Castillo Silverio, 2015).
 Suelo arcilloso: Es aquel en el que predomina la arcilla sobre otras
partículas de otros tamaños. La arcilla es un conjunto de partículas
minerales muy pequeñas, de menos de 0,001 mm. de diámetro, en
contraposición a otras partículas más grandes como son el limo y la arena,
por orden de tamaño, de menor a mayor (Gago, 2017).

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2.2. Marco Referencial
En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de carbono. Se fabricaban
mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos. Este proceso
resultó ser ineficiente. Las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono y
tenían malas propiedades de fuerza y de rigidez.
En la década de 1960, continuaron las investigaciones obteniendo fibras que
contenían hasta un 55% de carbono. Fue la empresa Rolls-Royce quien continuaría
las investigaciones para conseguir materiales más ligeros y resistentes de piezas
para la aeronáutica. Pero sus intentos no verían el éxito. Bien entrada la década de
los 70, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas
llevaron a la introducción de fibras de carbono a partir de la transformación del
petróleo. Estas fibras contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente
resistencia a la flexión (Ojeda Leos & Colin Jaramillo, 2014).
Las primeras fibras de carbono utilizadas industrialmente se deben a Edison, el cual
preparo fibras por carbonización de filamentos de fibras de bambú (celulosa) y
fueron utilizadas en la preparación de filamentos para lámparas incandescentes
(Ojeda Leos & Colin Jaramillo, 2014).
Los materiales compuestos han dado lugar a nuevos materiales con propiedades
muy específicas. Este es el caso de los compuestos con matriz de polímero y fibra
de carbono que han pasado de tener un uso muy focalizado en aplicaciones muy
sofisticadas en la industria
Así, los materiales compuestos con fibra de carbono se han comenzado a utilizar
en la construcción, aprovechando algunas de sus propiedades, como su alta
resistencia o su baja densidad y su uso puede estar dirigido a la reparación de
estructuras existentes o a la implantación directamente en obra. Su versatilidad es
enorme, pues la naturaleza de la matriz puede ser muy diversa y la orientación y
tamaño de las fibras pueden dar lugar a materiales con propiedades diferentes, con
usos muy específicos.
Algunas aplicaciones de estos nuevos materiales en la rehabilitación tienen que ver
también con la reparación de estructuras de hormigón, ya que tienen la propiedad
de poder colocarse fácilmente sobre las superficies deterioradas, y gracias a su
matriz polimérica se pueden fijar muy fácilmente. Al ser materiales muy ligeros no
suelen suponer un problema para la resistencia estructural global.
En cualquier caso, estos materiales compuestos basados en carbono han supuesto
una contribución determinante para el refuerzo de estructuras. Así, reparaciones
para adaptación al cumplimiento de nueva normativa, para reparación de defectos
estructurales en la construcción o causados por desastres naturales, así como en
la sustitución de estructuras metálicas afectadas por la corrosión son algunos de los

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campos en los que se están usando sistemáticamente los materiales compuestos
con carbono.
En 1966 se consiguió obtener fibras de carbono de alto modulo y tensión de ruptura
a partir de fibras de PAN (Poliacrilonitrilo). En esta época también se desarrollaron
fibras de carbono obtenidas a partir de breas de carbón y petróleo, y de resinas
fenólicas, sin embargo, estas fibras presentaban propiedades mecánicas inferiores
(Ojeda Leos & Colin Jaramillo, 2014).
Estructuras híbridas
Estructuras híbridas Se entiende por estructuras híbridas las superestructuras de
puentes que combinan elementos de FRP con elementos de materiales
tradicionales. Los estribos y pilares suelen ser de materiales tradicionales, aunque
en los últimos años se ha desarrollado también un nuevo tipo de pilares híbridos
formados por una camisa de FRP rellena de hormigón.
http://digital.csic.es/bitstream/10261/6313/1/IIJIC_Diego.pdf
El tablero Hardcore se utilizó por primera vez en un puente vehicular en 1997 en
Estados Unidos (Magazine Ditch en Delaware). El tablero se apoyaba en vigas de
hormigón pretensado con una luz total de 23 m y una anchura de 8.2 m.
Los sistemas híbridos con vigas de FRP y tableros de materiales tradicionales son
mucho menos utilizados que los anteriores. En algunos casos, como el Tom´s Creek
Bridge, construido en Estados Unidos en 1997, se combinan vigas de FRP (que
estaban fabricadas con fibra de vidrio y fibra de carbono) con tablero de madera.
El primer puente carretero de materiales compuestos construido en España en 2004
pertenece a esta tipología. Se trata de un puente híbrido construido por Acciona con
vigas de polímeros armados con fibra de carbono y tablero de hormigón armado.
En el apartado 5 se describen brevemente algunos ensayos realizados para la
construcción de este puente.
Figura 2: Primer puente de materiales compuestos construido en España (2004)

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2.2.1. Producción de la fibra de carbono
La producción de fibra de carbono a lo largo de la década de los noventa pasó de
siete a veinte toneladas. La razón de este incremento radica en el coste, que ha
bajado drásticamente en los últimos años pasando de 50-250 euros/kg bástalos 10
euros/kg que tenemos actualmente. Esta reducción ha implicado que la fibra de
carbono haya dejado de ser un material netamente aeronáutico como ocurría en las
décadas de los setenta y los ochenta para pasar a ser un material multi-sector. A
principios de la década de los noventa comenzaron a utilizarse en artículos de
deporte: palos de golf, raquetas, etc. Hoy en día hay campos donde esta fibra está
emergiendo con consumos potenciales muy elevados como en la construcción
(Miravete, 2001).
En la construcción hay dos líneas de trabajo: reparaciones e implantación en obra.
Edificios y sobretodo puentes en todo el mundo son reparados con fibra de carbono
de forma muy eficiente frente a las técnicas tradicionales. Las láminas metálicas
adheridas al hormigón mediante resina de epoxi se utilizan desde hace cuarenta
años. Sin embargo, la lámina metálica presenta serios problemas (Miravete, 2001).
Existe una gran variedad de aplicaciones de polímeros armados con fibras en
puentes. Atendiendo a su funcionalidad, los principales formatos en que se aplican
estos materiales son:
- Laminados de FRP para refuerzo exterior de puentes existentes. Se utilizan
principalmente laminados de fibra de carbono y resina epoxi, que pueden ser
de dos tipos: laminas prefabricadas (fibra+resina) que posteriormente se
adhieren a la estructura, y hojas o tejidos de fibra que se aplican junto con la
resina a la estructura formándose el material compuesto in situ al curar la
resina.
- Redondos de FRP para armar el hormigón en lugar de la armadura de acero
tradicional, sobre todo los tableros para evitar el acero y los consiguientes
problemas de corrosión, mantenimiento, etc
- Cables y tendones de pretensado, principalmente con fibra de carbono y
aramida. Se utilizan debido a sus elevados módulo y resistencia específicos,
excelentes comportamiento a fatiga y resistencia a la corrosión, para reducir
costes de mantenimiento.
- Perfiles de FRP o elementos tipo sandwich como alternativa a la estructura
clásica de hormigón armado o metálica en la construcción de pasarelas y
puentes.

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2.2.2. Fibras de refuerzo de carbono en forma de hoja.
La tecnología MasterBrace FIB comprende el uso de compuestos con fibras de
refuerzo de carbono (CFS) para el refuerzo estructural. Se basa en la impregnación
y adhesión de la fibra a partir de un sistema completo de resinas. Mediante el
refuerzo por adhesión de materiales compuestos de elevadas prestaciones se
consigue la absorción de tracciones: incrementando la respuesta a flexión, a
cortante y confinando elementos comprimidos (Sika, 2010).
También se ha demostrado en investigaciones realizadas, que el método de
refuerzo empleado con materiales compuestos por fibras de carbono aumenta de
manera considerable la capacidad de carga de los elementos estructurales, además
que es una forma sencilla y práctica de refuerzo estructural.
fig. 1: Refuerzo a cortante
y flexión en vigas rectangulares de puente
(Moncayo , 2016).

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Refuerzo Estructural con Sistemas a base de Fibra de Carbono
Los materiales compuestos Sika, son unos productos de alta resistencia que unidos
con resina epoxi estructural se utilizan para realizar refuerzos. Están disponibles
tanto en laminados extrusionados - Sika Carbodur y Sika CarboShear - que se
colocan en obra con adhesivos de resina epoxi estructural tipo Sikadur, como en
fibras tejidas - SikaWrap - con las que se elabora el material compuesto en obra por
medio de la aplicación de una resina epoxi líquido de adherencia.
La flexibilidad del tejido SikaWrap permite la aplicación sobre secciones irregulares
que se presentan en pilares y vigas de hormigón armado. La combinación del
refuerzo a cortante con tejidos de carbono de alto módulo junto con el refuerzo a
flexión con laminados Sika CarboDur es óptimo (BASF, 2018).
2.2.3. Campo de aplicación.
Refuerzos a tracción en elementos flexionados, sometidos a cortante y confinando
a compresión.
Errores de proyecto o ejecución.
Mejoras estructurales o modificaciones debidas a cambios de usos o cambios de
exigencia en normativas (BASF, 2018).
Mejora del control de la fisuración y de la resistencia a impactos y ondas expansivas.
Refuerzo de trabajos de reparación en general.
Las aplicaciones más habituales de refuerzos son: Vigas, puentes, losas, columnas
y tableros de puentes, estructuras y superficies de aparcamientos, refuerzo de
muros, depósitos, silos, chimeneas, túneles, tuberías, galerías, colectores, etc
(BASF, 2018).
En la figura 2 se puede observar un ejemplo de aplicación de la fibra de carbono en
una columna de un puente que muestra una falla por compresión.
fig. 2: reforzamiento de fibra de carbono (BASF,
2018).

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3. Planteamiento del problema:
Debido a la inestabilidad que tiene el tipo de suelo arcilloso, son en principio
los menos adecuados en los cuales cimentar, porque en ellos se produce grandes
asentamientos a un largo plazo de tiempo (Inpres, 2017). Como hace mención
(Moncayo , 2016) “Esto llega a provocar que en este tipo de suelo exista un
problema de falla por cortante en zapatas de concreto que estén asentadas en este
tipo de suelo, ya que por la inestabilidad de la arcilla la zapata queda separada del
suelo por movimientos de tierras que pueden ser provocados por fenómenos
naturales (sismos)” (p.11). Por ello provoca que la arcilla se asiente más rápido y
por esto la zapata no alcanza a asentar de la misma manera que la arcilla y esto
ocasiona que la zapata quede quedar flotando. También en este tipo de terrenos las
pruebas de carga pueden ser nulas para conocer su comportamiento esto limita la
manera de poder prevenirlo (Inpres, 2017).

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4. Objetivos:
4.1. Objetivo general.
 Diseño de reforzamiento para zapatas expuestas a fallas de rotura por
cortante en suelos arcillosos.
4.2. Objetivos específicos.
 Analizar las propiedades de la tela de fibras de carbono para su aplicación
como reforzamiento de zapatas de concreto reforzado.
 Determinar el tipo de reforzamiento adecuado en base a sus propiedades de
la tela de fibra de carbono.
 Evaluar el reforzamiento de la tela de fibra de carbono mediante una
simulación de rotura para comprobar si cumple con mejorar la resistencia de
las zapatas.

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5. Justificación
El presente trabajo de investigación se realiza para señalar las posibles ventajas
que tiene el diseño de reforzamiento con telas de fibras de carbono en zapatas
cuadradas. Así como es de cierta importancia prevenir que la zapata sea dañada
por efectos del suelo.
Si el diseño de reforzamiento con telas de fibras de carbono cumplen con prevenir
las fallas por cortante en las zapatas, esto podría beneficiar con el desarrollo de
nuevos tipos de diseño de reforzamiento para diferentes casos de zapatas o
elementos de cimentación que sufran de diferentes fallas provocadas por efectos
de suelos.
Con base a lo mencionado y en los estudios ya realizados, se desea experimentar
y enfocar el tema de refuerzo a corte, y tomar como punto de partida teorías para el
diseño a corte y propiedades de resistencia de materiales compuestos por fibra de
carbono.
De igual manera se pretende simular y llevar más allá los estudios realizados
anteriormente; aportando nuevas conclusiones que sirvan como criterio de estudio
en la utilización de estos materiales.

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6. Hipótesis
El presente trabajo de investigación pretende probar si el reforzamiento con telas
de fibras de carbono mejora la capacidad de resistencia de las zapatas cuadradas,
aplicándose en sus extremos de la zapata, rodeando de manera longitudinal toda la
base, este reforzamiento podría prevenir fallas de rotura por cortante a causa de
efectos de suelo arcilloso.

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Capítulo 1: Analizar las propiedades de la tela de fibras de carbono
para su aplicación como reforzamiento de zapatas de concreto
reforzado.
Propiedades de la tela de fibra de carbono
Tela de fibra de carbono: Las fibras de carbono, son materiales compuestos por un
95% de carbono y un 5%´por otros componentes, estas se obtienen a partir de una
fibra precursora, generalmente poliacrilonitrilo, que es sometida a diferentes
procedimientos de transformación: Estirado (orientación), oxidación, carbonatación
y grafitización. La fibra de carbono se comercializa en forma de tela con diferentes
espesores.
En la siguiente figura se muestran ejemplo de aplicación de telas de fibras de
carbono en elementos comunes de estructuras con diferentes técnicas de
aplicación.
Asi como existen las aplicaciones de las telas de fibra de carbono en espacios
estructurales, se puede tomar como base que al aplicar las telas existe aumento a
su resistencia. Una de las propiedades mas importantes de la tela de fibra de
carbono son las siguientes:
• Niveles de resistencia mayores a otros tipos de elementos, tales como lo son el
acero y el concreto.
• Muy liviano y con una alta relación resistencia/peso.
• Estable ante ataque de agentes externos.
• Elevado módulo de elasticidad.
Estas son las características de la fibra de carbono más importantes para el uso de
este material para elementos estructurales, mencionado por (Moncayo , 2016).
fig. 4: ejemplos de la aplicación de tela de fibra de carbono en
estructuras (BASF, 2018).

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Capítulo 2: Determinar el tipo de reforzamiento adecuado en base a sus
propiedades de la tela de fibra de carbono.
El diseño está basado en una tela de fibra de carbono con un ancho de
10 cm.Y una longitud dependiendo decadatipo de zapata que se desea
reforzar.
Se aplicarán 8 tiras de tela de fibra de carbono de manera longitudinal
sobre el concreto de la zapata, tanto como en la superficie, base y en
sus extremos. Como se muestra en la figura 5.
fig. 5: Base de una zapata cuadrada de
concreto reforzado (elaboración propia).
fig. 6: Diseño de reforzamiento de
zapata cuadrada (elaboración propia).

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Referencias
Arcus global.(23de 10 de 2017). ZAPATAS¿QUÉSON Y CÓMOSE CLASIFICAN? Obtenidode
https://www.arcus-global.com/wp/zapatas-que-son-y-como-se-clasifican/
BASF.(2018). Fibrasde refuerzode carbonoenformade hoja. MasterBraceFIB,4.
CastilloSilverio,Y.A.(2015). Teoriasde falla.Obtenidode Monografias:
https://www.monografias.com/trabajos107/teorias-falla/teorias-falla.shtml#teoriadefb
Gago, M. (16 de noviembre de 2017). El suelo arcilloso . Obtenidode Ecologiaverde:
https://www.ecologiaverde.com/el-suelo-arcilloso-681.html
Garza Marquez,L. (2000). Diseño y construccion decimentaciones. Medellin:Sede medellin.
Gonzalez,A.(2006). Estructuras. AprendemosTecnologia,12.
Inpres.(2017). Sitio del Instituto NacionaldePrevisión Sísmica INPRES. Obtenidode
http://www.um.edu.ar/um/fau/estructura5-anterior/CIMENTACIONES.htm
Mccormac , J.,& Brown,R. (2018). Diseño de concreto reforzado .Alfaomega.
Miravete,A.(2001). Hacia la fîbra de carbonoenla construcción. MATERIALESDE
CONSTRUCCIÓN,Vol.51,69.
Moncayo , T. (2016). Las fibrasde carbono comoalternativaparareforzamientode estructuras.
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OjedaLeos,D. I.,& ColinJaramillo,H.M. (4 de mayo de 2014). Materiales compuestos.Fibra de
carbono.Obtenidode https://es.slideshare.net/gonzalomartinezbarre/fibras-de-carbono
PerezVarcarcel ,J. (2002). MÉTODOSDE CÁLCULODE CIMENTACIONES. MexicoD.F.
Sika.(2010). Refuerzoestrucutral consistemaabase de fibrade carbono. innovation &
consistencv,12.