1. TECNOLOGIA DEL HORMIGON
REFUERZOS CON FIBRA DE CARBONO
Universidad de Chile TECNOLOGIA DEL HORMIGON
Facultad de Arquitectura y Urbanismo
Departamento de Ciencias de la Construcción
Curso: Construcción Av. IIl
NELSON IGNACIO GUZMAN ZARATE
Prof. Walter Brehme Hidalgo 02/04/2013

2. Universidad de Chile
Facultad de Arquitectura y Urbanismo
Departamento de Construccion
Curso: Construccion Av. III
Prof: Prof. WALTER BREHME
Refuerzos con fibra de carbono.
Por Nelson Guzmán
Índice:
0. Introducción
1. Fibra de Carbono
2. Historia de la fibra de Carbono
3. Composición de la fibra de carbono
4. Fabricación
5. Ventajas y Desventajas de la fibra de carbono
6. Aplicación de la Fibra de Carbono
7. Lugares de Refuerzo con fibra de Carbono
8. Instalación de los refuerzos de fibra de
Carbono
9. Fuerzas presentes en los refuerzos de fibra
de Carbono
10. Ejemplos
11. Conclusión
12. Bibliografía

3. 0. Introducción.
Uno de los principales materiales utilizados para el desarrollo de
una obra arquitectónica es el hormigón debido a su versatilidad,
fácil producción y puesta en obra. A lo largo de la historia
después de la invención del hormigón armado las nuevas
tecnologías han permitido nuevas formas lograr mayor rigidez
en construcciones de hormigón. Ya que aun siendo uno de los
materiales más resistentes carece presenta algunos defectos en
cuanto a su durabilidad, y como la resistencia mecánica del
elemento estructural
Las fibras de Carbono aumentan la tenacidad y el
comportamiento mecánico del hormigón y se utilizan en
Demanda de Fibra de Carbono por año.
pavimentos, Edificios de grandes alturas fábricas, etc. Pero lo
importante es que como arquitectos nos demos cuenta de la
enorme ventaja y proyección a futuro que representa la fibra de
carbono todo esto para poder ampliar las posibilidades en el
campo de la arquitectura.

4. 1. Fibra de Carbono
La fibra de carbono es una fibra sintética constituida por finos
filamentos de unos 0.005x0.010mm de diámetro compuesto en
casi su totalidad por fibras de carbono. Estos entrelazados entre
si forman cristales microscópicos alineados al eje de la fibra
Miles de fibras de carbono son trenzadas para formar hilos de
gran resistencia por sus propiedades cristalinas
Su estructura atómica corresponde a láminas de átomos de
carbono ordenado en patrones hexagonales de acuerdo a la
química del carbono y esta misma es su variación de conexión
con otros carbonos a lo largo de la fibra. La fibra de carbono es
- un material amorfo dada sus diversas relaciones entre sus
Composición física de la fibra de carbono compuestos. Las láminas de átomos de carbono se colocan al
azar, apretadas o juntas, por esto mismo se da su alta
resistencia.
La densidad de la fibra de carbono es de 1759Kg/m3 la del
acero es 7850Kg/m3 la del hormigón 3200Kg/m3 y la madera
0,7Kg/m3 Por lo que podemos concluir que la densidad es baja
y si a esto le incluimos la baja cantidad de material que se
utiliza para la malla de fibra podemos decir que es el material
que ocupa menos espacio de todos.
La fibra de Carbono tiene propiedades mecánicas superiores al
acero, es muy liviana, y por su dureza tiene más resistencia al
impacto. Su principal aplicación es la fabricación de
“composites” o materiales compuestos, donde en la mayoría de
los casos se hace con polímeros termoestables que a la vez la
mayoría de las veces es resina epoxi. Es conductor eléctrico y
de baja conductividad térmica. Al calentarse, un filamento de

5. carbono se hace más grueso y corto.
El uso más habitual es en refuerzos a flexión, y aunque existen
todavía algunos aspectos en estudio, existe un procedimiento
de dimensionamiento bien establecido y comúnmente aceptado.
No ocurre lo mismo con los refuerzos a cortante, donde los
modelos propuestos han sido diferentes y controvertidos, y aún
no existen reglas de proyecto uniforme o son tratadas de forma
muy somera en las recomendaciones de diseño editadas hasta
la fecha. Las investigaciones sobre el tema se iniciaron en la
década de los 90 pero han sido mucho más limitadas que en el
caso de refuerzo a flexión. Dichas investigaciones, así como
multitud de aplicaciones en todo el mundo, han probado que el
refuerzo con Fibra de Carbono es una técnica eficaz para
incrementar la capacidad última frente a esfuerzos cortantes,
pero también han puesto de manifiesto la necesidad de seguir
investigando para avanzar en el conocimiento experimental y
teórico del refuerzo a cortante y llegar a establecer
procedimientos de diseño adecuados que aprovechen y
optimicen las excelentes propiedades del material.

6. 2. Historia de la fibra de Carbono
En 1958, Roger Bacon creó fibras de alto rendimiento de
carbono en el Centro Técnico de la Union Carbide Parma. Estas
fibras se fabricaban mediante el calentamiento de filamentos de
rayón hasta carbonizarlos. Este proceso resultó ser ineficiente,
ya que las fibras resultantes contenían sólo un 20% de carbono
y tenían malas propiedades de fuerza y de rigidez
El alto potencial de la fibra de carbono fue aprovechado en
1963 en un proceso desarrollado en el Reino Unido. Estas
empresas fueron capaces de establecer instalaciones de
producción industrial de fibra de carbono
Durante la década de 1970, los trabajos experimentales para
encontrar materias primas alternativas llevaron a la introducción
de fibras de carbono a partir de una brea de petróleo derivadas
de la transformación del petróleo. Estas fibras contenían
alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia
a la flexión.
Actualmente aún se experimenta con fibra de carbono en barias
empresas en el mundo y en el ámbito de la construcción cada
vez hay más demanda por el carbono.

7. 3. Composición de la Fibra de Carbono
La fibra de carbono es un polímero de una cierta forma de
grafito. El grafito es una forma de carbono puro. En el grafito los
átomos de carbono están dispuestos en grandes láminas de
anillos hexagonales La fibra de carbono se fabrica a partir de
otro polímero, llamado poliacrilonitrilo, a través de un
complicado proceso de calentamiento. Cuando se calienta
el poliacrilonitrilo, el calor hace que las unidades repetitivas
formen anillos.
Al aumentamos el calor, los átomos de carbono se deshacen de
sus hidrógenos y los anillos se vuelven aromáticos. Este
polímero constituye una serie de anillos piridínicos fusionados.
Luego se incrementa la temperatura a unos 400-600°C. De este
modo, las cadenas adyacentes se unen.
Este calentamiento libera hidrógeno y da un polímero de anillos
fusionados en forma de cinta. Incrementando aún más la
temperatura de 600 hasta 1300ºC, nuevas cintas se unirán para
formar cintas más anchas.
De este modo se libera nitrógeno. Como se puede observar, el
polímero que es obtenido tiene átomos de nitrógeno en los
extremos, por lo que, estas cintas pueden unirse para formar
cintas aún más anchas. A medida que ocurre esto, se libera
más nitrógeno. Terminado el proceso, las cintas son
extremadamente anchas y la mayor parte del nitrógeno se
Proceso de unión de moléculas liberó, quedando una estructura que es casi carbono puro en su
de carbono y nitrógeno para formar forma de grafito. En la fibra de carbono las láminas de átomos
el PAN (polímero inicial de la fibra de carbono se apilan al azar o en forma irregular. Por esta
de carbono) razón tienden a tener alta resistencia a la tracción.

8. 4. Fabricación
Un método común de la fabricación consiste en calentar los
filamentos PAN (polímero inicial del carbono) en con aire a
aproximadamente 300°C, que rompe muchos de los enlaces de
hidrógeno y oxida la materia. El PAN oxidado se coloca en un
horno que tiene una atmósfera inerte de un gas como el argón,
y se calienta a aproximadamente 2000°C, lo que induce a la
grafitización del material, cambiando la los enlaces de la
estructura molecular. Cuando se calienta en las condiciones
Proceso de Fabricación de las láminas de Fibra de Carbono
adecuadas, estas cadenas se unen una al lado de la otra,
formando estrechas láminas de grafeno que con el tiempo se
unen para formar un solo filamento cilíndrico. El resultado es
generalmente 93-95% de carbono. Una baja calidad de fibra se
pueden fabricar con brea de mesofase o rayón como precursor
en lugar de PAN. Al material obtenido se le pueden variar
algunas de sus propiedades, confiriéndoles alto módulo, o alta
resistencia, mediante procesos de tratamiento térmico. El
material que ha sido calentado de 1500 a 2000ºC
(carbonización) exhibe la mayor resistencia a la tracción
Luego los hilos resultantes se mezclan con una resina en un
matriz para conformar y polimerizar la mezcla a temperaturas
muy altas que luego se derivan a maquinas que fraccionan el
material para luego obtener el producto acabado.
Compuesto Final

9. 5. Ventajas y Desventajas de la fibra de carbono
Las ventajas de la fibra de carbono son:
-Elevada resistencia mecánica, con unmódulo de
elasticidad elevado.
-Baja densidad, en comparación con otros elementos como por
ejemplo el acero.
-Resistencia a agentes externos.
-Gran capacidad de aislamiento térmico.
-Resistencia a las variaciones de temperatura, conservando su
forma, sólo si se utiliza matriz termoestable.
-No es invasivo por sus dimensiones pequeñas
-Son materiales ultra ligeros
-Conllevan un menor tiempo de instalación = menor costo
-Permite el uso de las estructuras inmediatamente después de
la aplicación
-Evita los costos por demoliciones y reconstrucción comparados
con otras soluciones alternativas.

10. Las principales desventajas de la fibra de carbono y a la vez la
misma razón por la cual se usa con más frecuencia en casos de
refuerzos y reparación:
- Es un polímero sintético que requiere un caro y largo proceso
de producción. Este proceso se realiza a alta temperatura -entre
1100 y 2500 °C- en atmósfera de hidrógeno durante semanas o
incluso meses dependiendo de la calidad que se desee obtener
ya que pueden realizarse procesos para mejorar algunas de sus
características una vez se ha obtenido la fibra.
-El uso de materiales termoestables dificulta el proceso de
creación de la pieza final ya que se requiere de complejos
instrumentos para darle forma.

11. 6. Aplicación de la fibra de carbono
La fibra de carbono en construcción se emplea de modo similar
al de las barras de acero de la estructura; esto es,
complementando las barras longitudinales de acero en las
zonas traccionadas, o los estribo de corte, siempre teniendo en
cuenta que la capacidad de refuerzo de carbono es
unidireccional en el sentido de las fibras, dependiendo del tipo
de fibra de que se está usando, comúnmente se utilizan tejidos
de fibra de carbono conocidos como Wrap cuya disposición es
unidireccional pero existen configuraciones de tipo bidireccional
Es conviene tener en cuenta el hecho de que los laminados de
fibra de carbono presentan unas altas características mecánicas
muy superiores a las del hormigón y el acero, por lo que en la
mayoría de los casos el éxito de reforzamiento viene
determinado más por el estado y preparación del elemento de
soporte que por el propio carbono.
Existen 3 tipos de casos.
1. Reparación (cambios de uso o destino, modificaciones
normales, aumento en la carga)
2. Rehabilitación (construcción deficiente, siniestro, sismo o
accidente, vandalismo)
3. Reforzamiento (recuperación, elementos degradados,
modificación)

12. 7. Lugares de refuerzo con fibra de carbono.
7.1 Refuerzos con fibra de carbono en vigas
En vigas de hormigón se puede incrementar las cargas
admisibles incorporando un refuerzo estructural con fibra de
carbono. Para estos casos el uso del refuerzo estructural con
fibra de carbono permite:
Refuerzo de fibra de carbono en viga de H.A.  -Incrementar la resistencia a los esfuerzos de flexión.
 -Incrementar la resistencia a los esfuerzos de corte.
 -Recuperar resistencia de diseño por omisión de armadura.
 -Incrementar la rigidez de la viga produciendo menor -
deformación bajo cargas vivas.

7.2 Refuerzos con fibra de carbono en pilares.
Este refuerzo permite dotar al elemento de mayor rigidez y
capacidad, mediante el confinamiento aumentando su
resistencia y ductilidad. Al confinar pilares podemos decir que
se logra incrementar la resistencia a la compresión axial de
estos elementos. Básicamente, el confinamiento restringe la
fisuración por compresión y cortante, aumentando así la
ductilidad del elemento estructural durante la rotura
Refuerzo de fibra de carbono en pilar de H.A.

13. 7.3 Refuerzos con fibra de carbono en losas
En el caso de las losas es muy eficaz debido a que la capacidad
del momento de la losa o cubierta es consecuencia de la
resultante de la resistencia a la flexión y compresión. En la
mayoría de los casos la losa tiene muy buena resistencia a la
compresión pero suele fallar en la tracción. Aumenta la
resistencia y la rigidez
Refuerzo de fibra de carbono en losa de H.A.
7.4 Refuerzos con fibra de carbono en muros
La fibra de carbono se utiliza en refuerzos que se derivan de
cargas excesivas en plano o fuera de plano y la presión debida
a impactos. Así puede utilizarse en los muros con esfuerzo
cortante. Y en los casos de muros de hormigón se disponen
vertical y horizontalmente siguiendo los lineamientos de
resistencia entregados por la enfierradura interior existente del
muro de hormigón.
Incrementan el refuerzo sísmico, la ductilidad del muro y el
comportamiento general
Refuerzo de fibra de carbono en muro de H.A.

14. 8. Instalación de los Refuerzos de fibra de
carbono
Primero que nada se debe tener en cuenta que es necesaria
una inspección de la Estructura, un análisis acabado de la
estructura existente, para determinar las causas del
reforzamiento y las fuerzas de acción presentes. Todo esto
antes de ejecutar el proyecto de reforzamiento.
Como regla general, una vez saneado y preparado el soporte ya
podremos aplicar un sistema de refuerzo. Este se compone por
las siguientes etapas:
1. Resina de Imprimación. Se suele aplicar una capa de
resina a fin de endurecer la superficie de hormigón y crear una
buena adherencia.
Sección de capas utilizadas en la instalación
2. Resinas de pegado del compuesto de fibra (refuerzo) al
de la fibra de carbono
soporte.
a. Pegado de composites: Se utilizan adhesivos en
forma de pasta epoxi. Se aplican sobre el laminado y
la superficie tratada. Una vez pegado, se presionan
con la ayuda de un rodillo de goma maciza para
asegurar un espesor mínimo de adhesivo y el rebose
de la pasta para evitar oquedades.
b. Pegado de hojas de fibra: Se emplean resinas epoxi
muy fluidas que penetran entre los hilos de fibra y
aseguran una buena impregnación. La aplicación se
realiza con rodillos especiales para evitar la formación
de bolsas de aire y la rotura de las fibras.

15. 3. Acabados
a. Espolvoreo de arena de sílice: Cuando el refuerzo
está completamente aplicado y la resina aun fresca,
se espolvorea con arena de sílice para obtener un
acabado rugoso. Con esta medida permitimos cubrir
el refuerzo con un revestimiento (yeso, pintura,…)
b. Protección a los rayos UV. Si el refuerzo está
expuesto a los rayos UV, se debe proteger la resina
epoxi ya que es susceptible de degradación. La
protección que se aplica es mediante un revestimiento
en base de poliuretano.
La puesta en carga del refuerzo se debe realizar pasados 7
días, a fin de que las resinas hayan reticulado (endurecido)
Hombre instalando fibra de carbono correctamente.

16. 9. Fuerzas Presentes en los refuerzos con
fibra de carbono
9.1. Refuerzos a Flexión
Esto sucede cuando el momento flector del elemento (vigas o
losas) supera la tracción inferior del elemento. Pasa esto es
Vista en sección de la viga necesario incrementar la capacidad de flexión de los elementos
con refuerzo por flexión que en la mayoría de los casos están bajo las vigas o losas.
9.2 Refuerzos a Cortante
Permite colocar estribos de corte por el lado exterior para
soportar cualquier nivel de solicitación dándole una mejor
unidad a la vida en cuanto a su trabajo por flexión para que este
Vista en sección de la viga se reparta de mejor manera
con refuerzo por cortnte
9.3 Refuerzos a Confinamiento
Permite incrementar la resistencia a compresión y al corte
sísmico al mismo tiempo impidiendo que la fuerza tangente a
algún punto exterior del pilar provocada por la misma carga del
pilar lo deforme o lo destruya.
Vista en sección del pilar
con refuerzo por confinamiento

17. 10. Ejemplos
Existen numerosos casos de refuerzo con fibra de carbono ya
utilizados en el mundo entero.
En Barcelona por ejemplo esta:
1. La terminal sur del aeropuerto de Barcelona . En el
Edificio Procesador con refuerzos en losas por aumento
Refuerzo de losa en la terminal del de sobrecargas no planeadas en el proyecto. Ya sea por
aeropuerto de Barcelona (Barcelona) un montacargas o por un apoyo de rampas mecánicas.
2. El edificio de Aparcamientos en Arenys de mar con
refuerzos Estructurales de 6 pilares en el nivel de
estacionamiento -4
3. El edificio de Oficinas Inmocaralt en Sant Joan Despi
Con refuerzos por punzonamiento de pilares en losas
En Chile por otro lado tenemos
1. El Mall Plaza Alameda con refuerzos de losas de apoyo
por tensión admisible superada en los estacionamiento.
2. El gimnasio Nueva Imperial con refuerzos de Pilares por
fisuras específicas. Y refuerzos verticales de pilares por
exceso de tracción de sobrecarga de techumbre
Refuerzo de pilar en gimnacio 3. El puente el Durazno con Refuerzos de losas de apoyo
Nueva Imperial (Chile)
por superar la tensión admisible

18. 11. Conclusión
La fibra de carbono es uno de los mejores compuestos para
poder reforzar estructuras complejamente difíciles de reparar y
este método si bien incide en la visión que se tiene sobre un
proyecto puede ser la mejor opción para estructurar edificios.
Ya que no provoca un gran cambio en el proyecto existente y
dota incluso el triple de esfuerzos de tensión comparado con el
acero.
A medida que transcurren los años es mucho más rentable
comenzar a producir estas nuevas tecnologías lo que queda
demostrada con el aumento exponencial de la demanda de la
fibra de carbono en las grandes empresas. Y lo que lo hace
mucho más apto para poder hablar con el de un “futuro de la
construcción”

19. 12. Bibliografía
Tesis. Nuevas tecnologías de reforzamiento del hormigón.
Daniela Díaz Andrés Hernández
Investigación. Polímeros reforzados con fibras. Javiera Balut,
Sarah Devetak, Daniela Hernández, Camilo López
Investigación. Refuerzos con “Polímeros reforzados con fibra”.
Pamela Espinoza, Ivan Maureira, Christian Soria
Investigación. Fibra de Carbono. Presente y futuro de un
material revolucionario. Carolina Llano Uribe
Investigación. Elementa Soluciones Integrales en refuerzo
reparación y rehabilitación Estructural. Elementa
http://www.carbon-fiber.com/
http://espanol.answers.yahoo.com/question/
http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/
http://www.applesfera.com/
http://www.elese.cl/aplicaciones-especificas/