Lo que descubrieron los ingenieros del ejército de EE. UU. cuando repararon acero corroído con polímeros de fibra

De hecho, la Asociación Nacional de Ingenieros de Corrosión de Estados Unidos estimó que el costo anual global total de la corrosión era de 2,5 billones de dólares (y eso fue en 2013). Es probable que el costo actual sea significativamente mayor.

Pero la misma asociación estimó que el costo de la corrosión del acero podría reducirse en un 35% si se introducen controles adecuados.

Ahí es donde entra en juego un nuevo estudio del Centro de Investigación y Desarrollo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos (ERDC).

El estudio retoma trabajos anteriores para explorar el potencial de aplicar polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) y fibra de basalto (BFRP) para reparar secciones transversales de acero corroídas.

Se llevaron a cabo una serie de pruebas experimentales a escala real en vigas de acero para ver cómo el CFRP y el BFRP afectaban sus características estructurales, incluida su ductilidad (la capacidad de un metal para ser estirado o estirado sin romperse).

Lo que está en juego

El puente Morandi de Génova, Italia, que se derrumbó en 2018. Foto: Adobe Stock

Hay mucho en juego cuando se trata de la corrosión del acero en la infraestructura, y es un problema particular para las estructuras que están dentro o cerca del agua, ya sean puentes, estructuras de control de inundaciones, tuberías de edificios y otras estructuras marinas submarinas.

Además del costo de inspeccionar y reparar componentes estructurales (que en algunos casos puede incluir su deshidratación), existe la posible interrupción del servicio.

Y no controlar la amenaza silenciosa de la corrosión puede provocar el deterioro de la estructura, reparaciones aún más costosas e incluso, como destaca el informe, la falla de la estructura.

El estudio mencionó el caso más sonado del derrumbe del puente Morandi en Génova (Italia), que causó la muerte de 43 personas. El viaducto de tres tramos, de 51 años de antigüedad, formaba parte de la autopista A10 que conducía a Savona y estaba diseñado como una viga continua, sostenida por tres sistemas diagonales de cables atirantados. Los expertos en ingeniería italianos creen que la corrosión gradual de los cables de acero jugó un papel fundamental en el derrumbe del puente, al reducir su integridad estructural en un 20%.

Reparaciones de corrosión del acero

El estudio del ERDC señaló que existen varios enfoques para reparar y modernizar el acero corroído en las estructuras. Pueden ser tan simples como eliminar la corrosión y volver a pintar el acero.

Pero cuando se trata de una corrosión más severa, cada método de reacondicionamiento tiene sus propias desventajas, ya sea que se trate de reemplazar elementos de acero corroídos con nuevas secciones transversales (que pueden causar interrupciones en el servicio) o de colocar placas de acero adicionales (que aumentan la carga muerta de la estructura y pueden interrumpir el servicio).

Más recientemente, se ha vuelto más popular el uso de CFRP para envolver secciones transversales de acero corroídas, pero requiere un material aislante, como fibras de vidrio, para evitar la corrosión galvánica entre la fibra de carbono y el acero.

Y aunque los materiales FRP han sido investigados en varios estudios en los últimos años, que han sugerido que pueden aumentar la capacidad de carga y la capacidad de rendimiento de las vigas en comparación con las no reparadas, el ERDC sugirió que se necesitaban más pruebas experimentales para evaluar el comportamiento estructural completo de las vigas reparadas y el impacto del desprendimiento de las envolturas de polímero de fibra en el rendimiento de las vigas.

Las pruebas

El estudio se propuso determinar la eficacia de los polímeros reforzados con fibra para reparar vigas de acero corroídas que están sujetas a flexión y esfuerzo cortante.

Para ello, los investigadores instalaron siete vigas de acero diferentes de tamaño W x 24 con una longitud de tres metros en un marco de prueba que luego se sometió a condiciones de flexión y carga de cuatro puntos utilizando un actuador de 489 KN.

Fuente: Evaluación experimental de vigas de acero con reducción de sección mecánica modernizadas con polímeros de fibra (ERDC)

La primera de las vigas era una muestra de control en la que no había corrosión ni reparación (véase a. en el diagrama anterior). La siguiente era una viga en la que se había reducido la sección mecánica del ala inferior en un 20%, en efecto, cortando una sección del acero para simular los efectos de la corrosión (b).

La tercera viga era similar en el sentido de que tenía una reducción del 20% en su banda (c).

Luego había dos vigas en las que las secciones en el ala de tracción y el alma respectivamente se habían reducido en un 20% y luego se repararon con parches de CFRP con fibras de carbono unidireccionales (ver d. y e.). Y las dos vigas finales tenían su ala de tracción y alma reducidas en un 20% respectivamente y luego se repararon con parches de BFRP con fibras cuatridireccionales (ver d. y e.).

Todos los parches se instalaron sobre una superficie rugosa con una amoladora angular, utilizando un epoxi llamado Tyfo S, mezclado con humo de sílice.

Fuente: Evaluación experimental de vigas de acero con reducción de sección mecánica modernizadas con polímeros de fibra (ERDC)

Los resultados

Los investigadores del ERDC descubrieron que sus intentos de simular la corrosión cortando partes de las vigas en el ala inferior y los elementos del alma redujeron la resistencia y la ductilidad del acero.

La aplicación de parches de CFRP a las vigas "corroídas" contribuyó a aumentar su capacidad máxima en un 7 %, tanto cuando se aplicó la reparación al ala inferior como al elemento de alma. Sin embargo, tuvo un impacto negativo en la ductilidad y los parches comenzaron a despegarse antes de tiempo, según el estudio.

Los resultados fueron mejores para los parches de BFRP. Hubo una mejora del 10 % en la resistencia última de la viga en la que se aplicó un parche en el ala inferior y el desprendimiento fue mínimo. El parche de BFRP en el elemento de alma de la viga aumentó la capacidad última en un 5 %, mejoró la ductilidad y no hubo desprendimiento.

En su conclusión, el estudio afirma que “el BFRP superó a los parches de CFRP en la mejora del comportamiento estructural de las vigas probadas, y se espera que su desprendimiento, si existe, ocurra después de que las vigas alcancen su capacidad máxima. El BFRP provocó un cambio mínimo en la distribución de la tensión en las vigas reparadas, lo que es fundamental para mantener las mismas condiciones estructurales y el mismo rendimiento de los elementos estructurales intactos”.

Recomendaciones

Dado el desprendimiento de los parches de CFRP, los investigadores recomendaron realizar estudios más a fondo que examinaran diferentes tipos de adhesivos para polímeros reforzados con fibra (porque las fallas de desprendimiento ocurrieron en la superficie adhesiva sin ninguna fractura en los parches).

También observaron que los parches BFRP cuádruples direccionales mostraron un “rendimiento prometedor” en áreas sujetas a mayores fuerzas de corte y recomendaron probar parches CFRP bidireccionales.

Las investigaciones futuras también podrían estudiar el rendimiento de secciones transversales corroídas que están completamente envueltas en parches de FRP, un enfoque que se aplica a menudo en la reparación de estructuras de acero para navegación, dijeron los investigadores.

Otra recomendación fue investigar la durabilidad de los enfoques de reparación aplicados para comprender la vida útil de los materiales FRP como un enfoque a largo plazo para las estructuras hidráulicas de acero.

Para acceder al informe completo, haga clic aquí.