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CONCRETO REFORZADO CON FIBRAS INTELIGENTE
Tipo: Esquemas y mapas conceptuales
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K
Nº ALUMNO PONDERACIÓN 01 AGUIRRE ALCEDO, Kevin Jhino 4 02 CAMPOS BEJAR, Milka Fiorela 4 03 MURGA REGIN, Elvis 4 04 PIÑÁN MALPARTIDA, Giancarlos 4 05 SALVADOR PRUDENCIO. José Eloy 4
Huánuco – Perú
3.2. Estudios sobre Monitoreo Estructural utilizando Fibras Inteligentes 3.4.3. Sensores de Fibra Óptica en Concreto Reforzado con Textil (TRC) 13
El concreto armado, a pesar de ser uno de los materiales más empleados en la construcción, presenta limitaciones importantes frente a eventos sísmicos. Entre ellas destacan la baja resistencia a tracción y la limitada capacidad de deformación antes del colapso. Estas debilidades son especialmente críticas en las columnas, elementos clave en la integridad estructural de edificaciones ante terremotos (Mousavi et al., 2022). En este contexto, el uso de fibras en la mezcla de concreto ha surgido como una estrategia eficaz para mejorar su desempeño sísmico. Las columnas de concreto reforzado con fibras (CRF) incorporan fibras metálicas, poliméricas o de vidrio que actúan como micro-refuerzos, aportando mejoras en resistencia, ductilidad y disipación de energía. Esta tecnología se presenta como una alternativa o complemento al acero tradicional, especialmente en aplicaciones donde la durabilidad, la sostenibilidad o los costos son factores determinantes (Ali et al., 2023). 1.1. Justificación de la Investigación La vulnerabilidad estructural en edificaciones de concreto armado convencional ante movimientos sísmicos es una de las principales causas de pérdida de vidas y bienes materiales. Las soluciones tradicionales, como el uso de acero de refuerzo, si bien efectivas, presentan desventajas como la corrosión, el alto costo en zonas remotas y la dependencia de mantenimiento constante. En contraste, las fibras ofrecen beneficios como mayor vida útil, capacidad de auto-restricción de fisuras, reducción del consumo de acero y un comportamiento más dúctil bajo cargas extremas. Estas características hacen necesario explorar a profundidad la eficacia del CRF específicamente en columnas, que son elementos críticos para prevenir colapsos estructurales (Ali et al., 2023).
Fibras metálicas: Secciones discretas de metal que tienen una relación de aspecto (relación entre la longitud y el diámetro) que va desde 20 hasta 100. Estas fibras son de acero (en general de bajo contenido de carbón). Fibras sintéticas: Secciones discretas que se distribuyen aleatoriamente dentro del concreto que pueden estar compuestas por Acrílico, Aramid, Carbón, Polipropileno, Poliestileno, Nylon, Poliester etc. Fibras de vidrio: Secciones discretas de fibra de vidrio resistentes al álcali. Fibras naturales: Secciones discretas de origen como coco, sisal, madera, caña de azucar, yute, bambú, etc. Cuyos diámetros varían entre 0.5 y 0.2 mm, con valores de absorción superiores al 12%. 2.1.2. Propiedades Mecánicas del Concreto Reforzado con Fibras El concreto armado presenta una alta resistencia a la compresión, típica de los materiales cementosos, que puede variar entre 20 y 40 MPa, dependiendo de la mezcla y condiciones de curado (Kot et al., 2021). Sin embargo, su resistencia a la tracción es significativamente menor, aproximadamente el 10-12% de su resistencia a la compresión, lo que lo hace susceptible a la formación y propagación de grietas bajo cargas de tracción o flexión (Jahren & Sui, 2017). Para mitigar esta limitación, se incorporan barras de acero con alta ductilidad y resistencia, que permiten una mejor distribución de las tensiones y una mayor capacidad de absorción de energía en casos de sobrecarga. No obstante, la corrosión de estas armaduras de acero puede comprometer la integridad estructural a lo largo del tiempo, provocando una degradación de las propiedades mecánicas y aumentando los costos de mantenimiento (Dadkhah & Tulliani, 2022). 2.2. Fibras Inteligentes: Definición y Clasificación Las fibras inteligentes son materiales avanzados diseñados para responder de manera reactiva a estímulos externos, como cambios en la tensión, temperatura, humedad o presencia de corrosión. En el contexto del concreto armado, estas fibras no solo mejoran las propiedades mecánicas del material compuesto, sino que también integran capacidades de monitoreo estructural en tiempo real (Hao et al., 2023).
2.2.1. Definición de Fibras Inteligentes Las fibras inteligentes son fibras funcionales que poseen la capacidad de percibir y responder a diferentes estímulos del entorno. Estas respuestas pueden incluir cambios en sus propiedades eléctricas, mecánicas o térmicas, lo que las hace idóneas para aplicaciones en monitoreo estructural y detección de daños (Hao et al., 2023). 2.2.2. Clasificación de Fibras Inteligentes Existen diversos tipos de fibras inteligentes utilizadas en concreto armado, cada una con características específicas que las hacen adecuadas para diferentes aplicaciones: Fibras de Carbono (CFRP): Conocidas por su alta resistencia y rigidez, las fibras de carbono son ampliamente utilizadas para reforzar estructuras de concreto. Además, su conductividad eléctrica permite la integración de capacidades de monitoreo (Liu et al., 2019). Grafeno: Un material bidimensional compuesto de átomos de carbono en una estructura hexagonal, el grafeno ofrece una excepcional conductividad eléctrica y flexibilidad, lo que lo hace ideal para aplicaciones de monitoreo y detección de grietas (Hao et al., 2023). Nanotubos de Carbono (CNT): Estos nanotubos poseen una alta relación resistencia-peso y excelentes propiedades eléctricas, lo que les permite actuar como sensores embebidos en la matriz de concreto para la detección temprana de deformaciones y daños (Liu et al., 2019). 2.3. Métodos de Incorporación de Fibras Inteligentes en Concreto
Uso de Agentes Compatibilizantes: Incorporar agentes de compatibilidad en la mezcla de concreto que faciliten la unión entre las fibras y la matriz cementosa (Ma et al., 2022). 2.4. Sistemas de Monitoreo Integrados La integración de sistemas de monitoreo en concreto armado dopado con fibras inteligentes permite la supervisión continua del estado estructural, facilitando la detección temprana de daños y la implementación de medidas preventivas. Estos sistemas suelen combinar sensores embebidos con plataformas de análisis de datos (Bremer & Roth, 2021). 2.4.1. Sensores Incorporados Los sensores embebidos en las fibras inteligentes son dispositivos que permiten la monitorización de diversas variables estructurales, como tensión, deformación, temperatura y presencia de grietas. Los tipos más comunes de sensores incorporados incluyen: Sensores de Fibra Óptica Distribuida: Utilizan técnicas como el Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) para medir la tensión y deformación a lo largo de toda la fibra, proporcionando datos en tiempo real sobre el estado estructural (Bremer & Roth, 2021). Sensores Piezocerámicos: Integrados en las fibras, estos sensores detectan cambios en la tensión mediante la generación de señales eléctricas proporcionales a las deformaciones sufridas por el concreto (Liu et al., 2019). 2.4.2. Plataformas de Datos y Análisis Los datos recolectados por los sensores embebidos se transmiten a plataformas de análisis de datos que procesan la información para generar informes sobre el estado estructural. Estas plataformas suelen incorporar algoritmos
avanzados de inteligencia artificial (IA) para la interpretación y predicción de fallos estructurales (Hao et al., 2023). Integración con Inteligencia Artificial: La combinación de sensores inteligentes con algoritmos de IA permite el análisis predictivo de los datos estructurales, identificando patrones y tendencias que pueden indicar la necesidad de mantenimiento preventivo (Hao et al., 2023). Sistemas Automatizados: Los sistemas automatizados facilitan la recopilación y el procesamiento continuo de datos, reduciendo la necesidad de intervención manual y aumentando la eficiencia del monitoreo estructural (Fernandez et al., 2020).
3. Antecedentes o estudios para base teórica El uso de fibras inteligentes en concreto armado ha emergido como una innovación significativa en la ingeniería civil, ofreciendo mejoras sustanciales en las propiedades mecánicas y capacidades de monitoreo estructural de las estructuras. En esta sección, se analizan y sintetizan los estudios previos relacionados con la mejora de propiedades mecánicas, el monitoreo estructural, la integración de inteligencia artificial, casos de estudio relevantes, así como los desafíos y limitaciones identificados en la implementación de estas tecnologías. 3.1.1. Estudios sobre Mejora de Propiedades Mecánicas La incorporación de fibras inteligentes, tales como microfibras de carbono, grafeno y nanotubos de carbono (CNT), ha demostrado mejorar significativamente las propiedades mecánicas del concreto armado. Hao et al. (2023) destacan que las fibras de carbono utilizadas en compuestos cementosos no solo incrementan la resistencia a la tracción y flexión, sino que también mejoran la ductilidad y la resistencia a la formación de grietas. Estos avances permiten que las estructuras de concreto armado sean más resilientes frente a cargas dinámicas y condiciones ambientales adversas.
recolectados por los sensores embebidos, facilitando la identificación de patrones y tendencias que indican el deterioro estructural antes de que ocurran fallos catastróficos. Este enfoque predictivo no solo mejora la precisión en la detección de daños, sino que también optimiza la planificación de mantenimiento y las estrategias de mitigación de riesgos. La combinación de sensores inteligentes con IA permite la creación de sistemas de monitoreo más robustos y adaptativos, capaces de responder de manera dinámica a las condiciones cambiantes de las estructuras. 3.4. Casos de Estudio Relevantes Diversos casos de estudio han demostrado la efectividad de las fibras inteligentes en aplicaciones reales. A continuación, se presentan y discuten algunos de los más destacados: 3.4.1. Implementación de CFRC en Puentes En el estudio de Hao et al. (2023), se presentan avances en el uso de compuestos cementosos reforzados con fibra de carbono (CFRC) en infraestructuras de puentes. Al incorporar fibras de carbono en la matriz cementosa, se mejoraron significativamente las propiedades mecánicas del concreto, incluyendo una mayor resistencia a la tracción y flexibilidad. Además, la conductividad eléctrica de las fibras permitió la integración de sensores para el monitoreo estructural en tiempo real. Este enfoque permitió detectar grietas y deformaciones en etapas tempranas, facilitando mantenimientos preventivos y aumentando la durabilidad de los puentes. 3.4.2. Monitoreo de Debonding (Descementado) en Vigas de Concreto Armado Liu et al. (2019) llevaron a cabo un estudio experimental sobre vigas de concreto armado reforzadas con placas de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) montadas cerca de la superficie (NSM). Utilizaron agregados inteligentes piezoeléctricos (SAs) embebidos para monitorear el Descementado entre CFRP y el concreto. Los resultados mostraron que los SAs podían detectar de manera efectiva la
propagación de grietas y el inicio del Descementado, proporcionando alertas tempranas antes de fallos estructurales catastróficos. Este caso resalta la efectividad de las fibras inteligentes en la mejora de la seguridad y durabilidad de las estructuras de concreto armado. 3.4.3. Sensores de Fibra Óptica en Concreto Reforzado con Textil (TRC) Alwis et al. (2021) realizaron una revisión sobre la integración de sensores de fibra óptica en concreto reforzado con textil (TRC) para el monitoreo estructural inteligente. En uno de los casos de estudio presentados, se implementaron sensores de fibra óptica distribuidos en una estructura TRC para medir tensiones, deformaciones y temperaturas en tiempo real. Los sensores permitieron la detección temprana de daños estructurales, lo que permitió una intervención oportuna y redujo los costos de mantenimiento. 3.4.4. Monitoreo de Vigas de Concreto con Agregados Smart Piezoeléctricos En un estudio reciente, se utilizó un enfoque de detección activa mediante agregados smart piezoeléctricos embebidos en vigas de concreto reforzadas con CFRP para monitorear el debonding (Liu et al., 2020). Este método permitió el monitoreo continuo de las condiciones de unión entre CFRP y concreto durante las pruebas de carga, demostrando su capacidad para identificar y localizar daños estructurales en tiempo real. Este caso subraya la importancia de los métodos de monitoreo avanzados para garantizar la integridad estructural en aplicaciones de refuerzo con CFRP. 3.4.5. Aplicación de Biochar como Filler Conductivo en ECC En el estudio de Dadkhah y Tulliani (2022), se exploró el uso de biochar, un residuo sólido de la pirólisis de biomasa, como filler conductivo en Cementitious Composites de Strain-Hardening (ECC). La investigación demostró que la incorporación de biochar no solo mejora la resistencia mecánica y la durabilidad del ECC, sino que también habilita propiedades auto-sensibles debido a la conductividad eléctrica del biochar. Este enfoque innovador ofrece una solución sostenible y
Smart Aggregates (SAs). Applied Sciences , 10 (1), 50. https://doi.org/10.3390/app o Islam, M.H., Afroj, S., Uddin, M.A., Andreeva, D.V., Novoselov, K.S., & Karim, N. (2022). Graphene and CNT‐Based Smart Fiber‐Reinforced Composites: A Review. Advanced Functional Materials, 32. o Ma, Y., Yu, X., Zhao, F., Liu, J., Zhu, P., Zhang, P., Zhang, J., & Wu, L. (2022). Research Progress in Environmental Response of Fiber Concrete and Its Functional Mechanisms. Advances in Materials Science and Engineering. o Berrocal, C.G., Fernandez, I., Bado, M.F., Casas, J.R., & Rempling, R. (2021). Assessment and visualization of performance indicators of reinforced concrete beams by distributed optical fibre sensing. Structural Health Monitoring. o Fernandez I, Berrocal CG, Almfeldt S, Rempling R. Monitoring of new and existing stainless-steel reinforced concrete structures by clad distributed optical fibre sensing. Structural Health Monitoring. doi:10.1177/ o Lopes, C., Araújo, A., Silva, F., Pappas, P.-N., Termine, S., Trompeta, A.-F. A., Charitidis, C. A., Martins, C., Mould, S. T., & Santos, R. M. (2024). Smart Carbon Fiber-Reinforced Polymer Composites for Damage Sensing and On-Line Structural Health Monitoring Applications. Polymers , 16 (19), 2698. https://doi.org/10.3390/polym o Dadkhah, M., & Tulliani, J.-M. (2022). Damage Management of Concrete Structures with Engineered Cementitious Materials and Natural Fibers: A Review of Potential Uses. Sustainability , 14 (7), 3917. https://doi.org/10.3390/su o Hao, Y., Shi, C., Bi, Z., Lai, Z., She, A., & Yao, W. (2023). Recent Advances in Properties and Applications of Carbon Fiber-Reinforced Smart Cement-Based Composites. Materials , 16 (7), 2552. https://doi.org/10.3390/ma
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