2.1 Aplicación del refuerzo - 1ª etapa: chapas rectas con espesores diferentes.

Para efectuar el refuerzo estructural fueron utilizadas chapas de acero SAE 1020 con ancho de 12 cm y longitud de 150 cm. El adhesivo estructural utilizado fue el EP, in bi-componente a base de epóxico de la marca Bautech®, con características de alta adhesión, resistencia química y mecánica, material pre-dosificado, impermeable al agua y aceite, además de dureza inicial en 12 horas y curado total en 7 días. La aplicación del adhesivo estructural epóxico en las vigas siguió las recomendaciones del suplidor, iniciando por la preparación del sustrato, en que la superficie de aplicación fue limpiada de polvo, aceites o cualquier sustancia que perjudique la adhesión, siendo ese procedimiento realizado con uso de cepillo de acero. La preparación del adhesivo estructural epóxico ocurrió por la homogenización de los componentes separados de forma manual. Luego, se adicionó el componente B (endurecedor) sobre el componente A (resina), mezclando por 5 minutos. La aplicación del adhesivo estructural epóxico fue realizado con auxilio de una espátula sobre toda la superficie a ser vaciada, con espesor mínima de 2 mm y rendimiento de aproximadamente 0,7 kg/m².

Antes de la aplicación del adhesivo, fueron hechas ranuras con una lijadora eléctrica en las chapas de acero, para mejorar las condiciones de adherencia junto con la superficie del concreto. Luego de fijar las chapas, se someten a una rápida presión uniforme, para que el exceso de resina eventualmente existente se elimine. Esa presión se hace con un martillo de goma. Posteriormente, se colocan bloques de concreto en los extremos y en la región de las chapas, sistema que se mantiene por 7 días y cubierto por lona plástica. La aplicación del adhesivo estructural epóxico en las vigas principales fue realizada a los 21 días, y el ensayo de flexión a los 28 días del vaciado. Las etapas de la preparación del sustrato, del adhesivo estructural epóxico, así como la aplicación de las chapas de acero en las vigas pueden verse en la Figura 3.

Figura 3 (a) Preparación de las chapas; (b) Aplicación del adhesivo estructural epóxico; (c) Fijación y apoyo de las chapas. 

2.2. Aplicación del refuerzo - 2ª etapa: perfil de acero "U" con igual espesor.

A partir de los resultados obtenidos con los ensayos de los grupos B, C y D, las vigas de los grupos F y G fueron preparadas y reforzadas con el perfil de acero SAE 1020 con 12 cm de base, alas de altura de 15 cm y espesor de 0,75 mm (formato perfil "U"), siendo el grupo F con 150 cm de longitud y el grupo G 80 cm de longitud. La diferencia en la longitud de las chapas fue premeditada para evaluar el área de mayor concentración de esfuerzos, que se encuentra justamente en los pontos de aplicación de la carga, es decir en el tercio central de la viga.

El adhesivo utilizado fue el mismo descrito en el ítem 2.1. La aplicación puede ser acompañada en la Figura 4, y fue efectuada conforme especificaciones del fabricante, para las dos longitudes del perfil: (i) ejecución de ranuras en la superficie de acero para una mejor adherencia entre el perfil y la superficie de concreto; (ii) superficie de concreto limpia y sin polvo grasa o aceite, o cualquier sustancia que pueda afectar la adhesión, realizada con ayuda de un cepillo de acero; (iii) mezcla de los componentes A (resina) y B (endurecedor), hecha durante 5 minutos; (iv) aplicación del adhesivo epóxico en las vigas con espesor mínimo de 2 mm; (v) colocación de fijadores (sargentos) para que el perfil de acero quede presionado lo más justo posible junto a la viga, favoreciendo la adherencia del perfil al concreto. Este sistema fue mantenido por 7 días.

Figura 4 (a) Aplicación del adhesivo epóxico para anclar los perfiles de acero; (b) Colocación de fijadores; (c) Sistema de fijación final de las chapas. 

2.3. Ensayo de flexión en 4 puntos.

Como puede ser observado en Figura 5, las vigas están posicionadas sobre un pórtico metálico, donde la carga fue aplicada por medio de un cilindro hidráulico, con capacidad de 500 kN, transferidos para los tercios centrales de la viga a través del perfil metálico, apoyado sobre 2 rollos de madera. Los valores de incremento de carga a lo largo del ensayo fueron obtenidos a partir de una célula de carga posicionada en la base del cilindro. Los desplazamientos en el vano central de la viga fueron medidos a partir de 2 transductores inductivos de desplazamiento (LVDTs) con capacidad de lectura de 100 mm, los cuales fueron posicionados en lados opuestos en el vano central de la viga con intención de obtener la media de los valores para una mejor consideración del desplazamiento central da viga. Para adquirir los datos se usó el sistema Quantum X® que utiliza el software Catman Easy®, ambos de la marca HBM.

Figura 5 Dibujo esquemático y foto del ensayo de flexión en cuatro puntos. 

Las verificaciones fueron hechas para analizar el comportamiento de cada grupo en diferentes instantes de aplicación de carga: (i) en el desplazamiento máximo (L/250), permitido por la norma ^{ABNT NBR 6118:2014}; (ii) en la carga de ruptura; (iii) separación de la chapa y modo de rotura.

3.1 Resultados - 1ª etapa: chapas rectas con espesores diferentes.

Al aplicar la carga hasta llegar al desplazamiento máximo establecido por la norma ^{ABNT NBR 6118:2014}, se obtuvo que los grupos presentaron disparidades en los valores de resistencia según lo presentado en la Tabla 3. El grupo A es la referencia para el análisis e interpretación de los resultados en general por tratarse de vigas sin refuerzo. De esa forma, los grupos B, C y D alcanzaron cargas promedio mayores para el desplazamiento máximo admisible (7,20 mm), siendo 36% superior el grupo B en relación al grupo A. Igualmente, el grupo C presentó un incremento de 30% y el grupo D llegó a una carga 26% mayor para el desplazamiento determinado.

El mayor incremento de cargas fue de 36%, inferior al máximo de 50% recomendado por ^{Souza y Ripper (1998)}. La carga creciente y los desplazamientos alcanzados en la ruptura están dispuestos en la Tabla 4. En esta etapa, el comportamiento de los porcentajes que justifican el aumento de la capacidad portante entre los grupos fue semejante al desplazamiento máximo permitido por norma (L/250). El grupo B alcanzó una carga 29% superior al grupo A, y los desplazamientos obtenidos fueron próximos entre los dos grupos. Por tanto, los desplazamientos finales para los grupos C y D se presentan bajo la determinación normativa, pues las vigas alcanzan ruptura de forma brusca momentos antes de superar el desplazamiento admisible (7,20 mm). Cuando la carga, el grupo C fue 24% más elevado en comparación al grupo A, así como el grupo D, que fue de 16%. El comportamiento de los ensayos puede ser visualizado en la Figura 6.

Figura 6 Comportamiento de las vigas de los grupos A, B, C y D - carga vs desplazamiento. 

Las vigas de los grupos C y D no tienen la misma tendencia en el gráfico (Figura 6), llegando a ruptura en 62,96 kN en el grupo C y 59,10 kN en el grupo D. En esos dos grupos, la ruptura del refuerzo ocurrió de forma brusca en una de las extremidades de las vigas, arrancando consigo una porción de concreto con la chapa de acero colada, que llegaba hasta la armadura positiva. Esas rupturas ocurren antes de que fuese alcanzado el límite del desplazamiento admisible (L/250).

Las imágenes de las vigas están en la Figura 7 para demostrar la separación de las chapas y el modo de ruptura durante la realización de los ensayos.

Figura 7 Modo de rotura - (a) Grupo A; (b) Grupo B; (c) Grupo C e (d) Grupo D. 

Los grupos A y B tienen comportamientos semejantes en lo que se refiere a la aparición de fisuras entre los tercios centrales y en la separación de la chapa de acero SAE 1020 de 0,75 mm. Los grupos C y D tienen comportamientos similares entre ellos, en relación a las fisuras más acentuadas, hasta la extremidad del refuerzo y el arrancamiento del concreto con la chapa hasta la armadura de combate a la flexión. Considerando los resultados no satisfactorios de los grupos C y D, una solución puede ser la introducción de pernos de anclaje en las extremidades de las chapas de acero SAE 1020 coladas, que ayudaría a disipar la acumulación de tensiones en esa región. En la Figura 8 se observa que con el aumento de los espesores de las chapas de acero SAE 1020, ocurre la diminución de la carga de soporte de las vigas, es decir, es un comportamiento lineal decreciente.

Figura 8 Comportamiento de las vigas de los grupos B, C y D - carga de ruptura y carga en L/250 vs espesores de las chapas de acero. 

3.2. Resultados - 2ª etapa: chapas con perfil U de igual espesor.

En la carga el desplazamiento máximo permitido por norma (L/250), el grupo F tiene 20% de incremento en el promedio de los valores en relación al grupo E (referencia), mientras que el grupo G presentó un incremento promedio de 16% (Tabla 5). Se nota que el grupo reforzado con el perfil de mayor longitud (Grupo F) tiene mayor eficiencia cuando la resistencia para alcanzar el desplazamiento de 7,2 mm.

La carga necesaria para llevar las vigas a su ruptura (Tabla 6), tiene un incremento de carga mayor referente al grupo F (150 cm). Tal grupo tuvo 14% de aumento de resistencia, mientras que el grupo G disminuyó la resistencia cuando se compara al grupo E (referencia), siendo este valor de 6%. A partir del gráfico de la Figura 9 es posible observar el comportamiento de cada grupo relacionando la carga y el respectivo desplazamiento.

Figura 9 Comportamiento de las vigas de los grupos E, F y G - carga vs desplazamiento. 

Se ve claramente el aumento de la rigidez de la viga con la adición de la chapa de acero. La viga F1 (Figura 10b) tiene un comportamiento diferente de las demás, pues tuvo la separación precoz de la chapa de acero de la viga, disminuyendo el incremento de resistencia del refuerzo, y posteriormente llevando a la ruptura con la carga de 60,97 kN, similarmente la viga de referencia del grupo E. Este hecho puede ser resultado de una probable mala aplicación del adhesivo epóxico, lo que no proporcionó buen anclaje del perfil metálico al concreto.

Figura 10 Modo de ruptura - (a) Grupo E; (b) Grupo F y (c) Grupo G. 

Es posible notar la eficiencia del refuerzo de las vigas do grupo F (vigas F2 y F3), con el perfil de 150 cm, por tanto, con cargas elevadas también ocurre la separación de la chapa (Figura 9). Las vigas del grupo B, con el perfil de 80 cm, tuvieron un comportamiento inferior al grupo E (grupo de referencia). Los desplazamientos promedios fueron semejantes entre los grupos E y F, en promedio de 17,8 mm, mientras que en el grupo G el desplazamiento fue en promedio de 13,0 mm. La viga F1 se rompió por flexión y separación del perfil de acero, seguida de aplastamiento del concreto en la región central de la viga. Las vigas F2 y F3 tienen fisuras por cizallamiento y también rompimiento por separación del perfil de acero, con aplastamiento del concreto en el centro da viga F2 y en la viga F3 de la región próxima al apoyo. El Análisis hecho de las vigas del grupo G, reforzadas con el perfil de acero con 80 cm de longitud, tienen un comportamiento de fisuras semejantes a los del grupo F: rompimiento por separación del perfil de acero, siendo que, en las vigas G1 y G3, el arrancamiento del concreto fue próximo a la región central, y en la viga G2, próximo al apoyo.