MX2012011043A - Sistema para reforzar estructura usando materiales adaptados en el sitio. - Google Patents

Abstract

Se describe un sistema y método para reforzar estructuras, que incluyen material textil de basalto (20) conectado con superficies de la estructura (100) con anclas de fibra (30); el material textil extiende las fuerzas y aumenta la ductilidad de la estructura; el material textil puede conectar entre sí múltiples elementos estructurales que incluyen paredes, pisos, columnas, vigas y techos; el material textil se cubre con mortero (50) adaptado para igualar el color y la textura de la estructura, usando arenilla, agregado o colorante obtenidos localmente; se prefiere el material textil de fibra de basalto para evitar la degradación del material textil por los componentes alcalinos del mortero (50).

Description

SISTEMA PARA REFORZAR ESTRUCTURA USANDO MATERIALES ADAPTADOS EN EL SITIO CAMPO DE LA INVENCIÓN En general, la presente invención se refiere a estructuras de refuerzo, y más particularmente a materiales para reforzar las estructuras existentes sin cambio sustancial de la apariencia de las estructuras.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Es necesario reforzar muchos edificios existentes en todo el mundo para ayudarlos a resistir el daño causado por sismos, tormentas violentas, atmósfera ácida, vibraciones debido al tráfico de vehículos, o amenazas similares. Especialmente, muchos edificios más viejos fueron diseñados para manejar fuerzas compresivas grandes pero no son resistentes a las fuerzas laterales.

Es necesario reforzar los edificios que no son resistentes a una fuerza lateral repentina para dar seguridad a la gente que vive o trabaja en los mismos, o que visita el edificio. Algunos edificios tienen un valor histórico o artístico considerable y se deben proteger de desastres y deterioro ambiental por si solos.

Existen algunos métodos para reforzar los edificios existentes.

Uno que se usa en todo el mundo es envolver una estructura con material textil de fibra de vidrio que se impregna con material epóxico. Este método se enseña en diferentes formas en las patentes de EE. UU. 5043033, 5649398 y 5657595. En la patente de EE. UU. 7,207,149 se enseñan unos medios para conectar diferentes componentes de una estructura usando anclas de fibra dúctil, y se incorpora en la presente como referencia.

Los métodos de las patentes 5043033, 5649398 y 5657595 son eficientes y se pueden realizar con poca intrusión sobre los ocupantes y visitantes del edificio que se refuerza. Una desventaja de estos métodos es que usan algunos materiales especializados que no están fácilmente disponibles en todos los lugares. Como resultado, los materiales se envían desde centros de distribución centralizados, algunas veces a lugares remotos que son difíciles de alcanzar. El envío y transporte redondo de materiales pesados aumenta significativamente el costo del proyecto.

Otra desventaja de los métodos de envoltura es que el color y la textura de los materiales fácilmente disponibles en el mercado difícilmente coinciden con los edificios viejos. Existen muchos edificios en todo el mundo que están construidos de piedra nativa, ladrillo de arcilla local, o que están revestidos con yeso hecho con minerales locales. Como resultado, el color o textura de los materiales de los métodos arriba mencionados, tales como los materiales epóxicos y la fibra de vidrio, pueden no coincidir con el color o la textura de un edificio dado.

Otra desventaja del método arriba expuesto es que algunos de los materiales, particularmente los materiales epóxicos, son menos resistentes al fuego que la construcción convencional de piedra, ladrillo o yeso. Es deseable que un método para aumentar la resistencia de un edificio también aumente su resistencia al fuego, o por lo menos que no la degrade.

Para evitar la desventaja de la flamabilidad de los materiales epóxicos u otros polímeros orgánicos, el material textil se puede cubrir con una pasta inorgánica endurecible, tal como mortero. Sin embargo esto produce una desventaja diferente porque los morteros inorgánicos son alcalinos y tienden a degradar la fibra de vidrio ordinaria. Se tiene disponible un material textil especial de vidrio resistente a la alcalinidad, pero es muy caro. Esto ha desalentado el uso de material textil de vidrio con mortero para el refuerzo de las estructuras. El carbón de grafito o los materiales textiles de fibra de aramida serían compatibles con el mortero, pero estos materiales textiles también son muy caros y no están ampliamente disponibles en todos los países.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención es un sistema de materiales y métodos para reforzar las estructuras usando algunos materiales derivados localmente. El sistema incluye una envoltura textil unida a la estructura con anclas de fibra y una capa de acabado de mortero hecho con arenilla y agregado obtenido de fuentes cercanas a la estructura que se refuerza.

El material textil está compuesto de basalto fibroso, que es resistente a la alcalinidad y es compatible con el mortero inorgánico. El material textil normalmente es una tela de ligamento abierto que es fuerte y dúctil. La tela se une a la estructura de manera dúctil, tal como por ejemplo con anclas de fibra como se enseña en la patente de EE. UU. 7207149. Preferiblemente las anclas de fibra también se crean de fibra de basalto.

Se mezcla un material de acabado de mortero, empezando con una matriz líquida endurecible, tal como una suspensión de partículas minerales calcinadas que se endurecen para crear un mortero sólido después de mezclarse con agua. La arenilla, agregado, o ambos, se agrega a la matriz líquida endurecible. La arenilla o agregado añaden color y textura al material de acabado de mortero.

El sistema de mortero es intrínsecamente resistente al fuego y no aumenta el riesgo de incendio de una estructura.

Usando arenilla y agregado que son extraídos o explotados de roca localmente, frecuentemente es posible igualar muy bien el color y la textura del edificio original. La apariencia final de la estructura reforzada permanece relativamente sin cambio con respecto a la apariencia original, posiblemente histórica. Además, la capacidad de usar materiales minerales locales ahorra el dinero del envío de material a un lugar remoto.

La utilización de minerales locales para el material de acabado de mortero se hace posible con el uso de material textil de fibra de basalto y anclas de fibra.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una vista en planta superior, parcialmente recortada, del sistema de refuerzo de la presente invención usado para reforzar la pared de un edificio.

La figura 2 es una vista seccional tomada sobre la línea 2-2 de la figura 1.

La figura 3 es una vista en planta superior del sistema de refuerzo de la presente invención, usado para reforzar una junta de expansión de una estructura.

La figura 4 es una vista seccional tomada sobre la línea 4-4 de la figura 3.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La figura 1 es una vista en planta superior parcialmente recortada del sistema de refuerzo 10 de la presente invención. La figura 2 es una vista seccional del sistema de refuerzo 10, tomada sobre la línea 2-2 de la figura 1 , usado para reforzar una estructura 100, por ejemplo una pared 1 10 de un edificio.

El sistema de refuerzo 10 incluye un material textil resistente a la alcalinidad, 20, extendido sobre la pared 110. El material textil 20 se une a la pared 1 0 con una pluralidad de anclas de fibra 30. Un mortero 50, que contiene productos minerales obtenidos preferiblemente en la misma región geográfica que la estructura 100, se extiende sobre el material textil 20 y las anclas de fibra 30.

Preferiblemente el material textil 20 es una tela de malla de peso ligero, tejida o anudada de fibras dúctiles adecuadas, fuertes y resistentes a la alcalinidad, tales como basalto. Convencionalmente las estructuras se han reforzado con telas hechas de fibras de vidrio. La tela de vidrio ordinaria debe ser cubierta con un material de acabado protector de pH neutro, esto es, ni fuertemente alcalino ni ácido. Muchos materiales alcalinos o ácidos que incluyen materiales cementosos como el mortero y concreto degradan el vidrio y lo debilitan. Por esta razón, normalmente los sistemas de refuerzo estructural que incluyen tela de fibra de vidrio también incluyen una capa de acabado epóxico o poliuretano, que son sustancialmente neutros.

Desde luego, en lugar del basalto se pueden usar otras fibras resistentes a la alcalinidad con buena ductilidad y alta resistencia a la tensión para crear el material textil 20. La elección de la fibra específica para el material textil 20 se puede hacer para cada aplicación basándose en la disponibilidad, resistencia y costo. En este momento se ha encontrado que el basalto es el material preferido pero en el futuro pueden estar disponibles otros materiales.

Los resultados de prueba muestran que el sistema 10 aumenta mucho la capacidad de soporte de carga de la pared 110, aunque el ligamento del material textil 20 incluye aberturas tan anchas como de 7.62 cm a 10.16 cm transversalmente, aunque un tamaño más típico es de 2.54 cm transversalmente. Se ha encontrado que es conveniente aplicar un ligamento plano o cruzado con aberturas cuadradas o rectangulares y provee suficiente resistencia y ductilidad. El material textil 20 normalmente se teje de hilos o atados que consisten en muchos filamentos individuales delgados de fibra de basalto.

El material textil 20 se extiende sobre superficies de varios elementos estructurales de una estructura 100 que se quiere reforzar. Se pueden aplicar como envoltura paneles de material textil 20 sobre esquinas interiores o exteriores a fin de conectar diferentes paredes 110, o para conectar una pared 110 con un plafón, u otras combinaciones según sea apropiado. El material textil 20 se puede unir temporalmente a la pared 1 10 por medio de abrazaderas, grapas o adhesivos adecuados.

En el caso de estructuras 100 construidas de materiales frágiles, o que han sido dañadas por la intemperie o degradación ambiental, es preferible que el tamaño de la abertura de malla sea pequeño, tal como por ejemplo 1 .25 cm transversalmente.

Muchos tipos de elementos estructurales se pueden reforzar usando el material textil 20 para conectar las paredes 1 10 a pisos o plafones, columnas o vigas a plafones, techos a paredes 1 10, etcétera.

El siguiente paso en el método de refuerzo es unir permanentemente el material textil 20 a la pared 1 10 u otra estructura usando medios de conexión dúctiles adecuados, tales como una pluralidad de anclas de fibra 30, como es muy conocido en la técnica. Las anclas de fibra 30 se crean perforando un agujero a través de una abertura del material textil 20 y hacia la pared subyacente 110. Un tramo de mecha de fibra, preferiblemente compuesta también de basalto fibroso, se inserta en el agujero con un extremo libre que se extiende arriba del material textil 20.

Un material de relleno, tal como fragua o adhesivo polimérico, se empuja o se inyecta en el agujero. El extremo libre de la mecha se une en la superficie externa de la pared 10 y sobre el material textil 20, tal como por ejemplo con adhesivo o mortero. El material de relleno retiene la mecha dentro del agujero de tal manera que el ancla de fibra 30 forma una clase de perno grande que une el material textil 20 a la pared 110. El ancla de fibra 30 es el medio de conexión dúctil más preferido para el sistema 10 porque el ancla de fibra 30 extiende fuerzas sobre un área amplia, y de esta manera es improbable que se salga de la pared 110 como podría ser el caso con un sujetador mecánico, o que saque una sección de pared 110 como podría ser el caso con un adhesivo de superficie.

El proceso final es cubrir el material textil 10 y las anclas de fibra 30 con una cubierta de acabado de mortero 50. La cubierta de acabado de mortero 50 cubre el material textil 20 de tal manera que este no será dañado por la intemperie ni estorbado. El mortero 50 hace contacto y se adhiere a la superficie original de la pared 110 a través de las aberturas del ligamento del material textil 20, insertando el material textil 20 y ayudando a extender cualquier fuerza lateral grande, tal como por ejemplo de un sismo o del viento.

El mortero 50 retiene mecánicamente el material textil 20 en posición cerca de la pared 110, pero no puede tomar completamente el lugar de los medios de conexión dúctiles tales como las anclas de fibra 30.

La cubierta de acabado de mortero 50 es principalmente para crear una superficie texturizada y coloreada uniformemente para la pared reforzada 1 10. El refuerzo textil epóxico y de fibra de vidrio convencional normalmente da una estructura de textura más lisa y coloración ligeramente turbia. Aunque el material epóxico se puede cubrir con pintura u otro acabado, no se aconseja el mortero debido a una posible degradación de la fibra de vidrio.

La cubierta de acabado de mortero 50 funciona bien para reproducir la apariencia de las paredes originales 110 de concreto, estuco o yeso. Con trabajo de modelado y coloreado adicional, el acabado de mortero 50 incluso puede reproducir la apariencia de paredes históricas de piedra o ladrillo 1 10.

El mortero 50 se prepara para adaptarlo a la estructura que se quiere reforzar. Normalmente el mortero 50 se basa en una matriz de pasta endurecible, tal como concreto dúctil. El concreto dúctil no curado se puede denominar suspensión, esto es, una mezcla de partículas sólidas suspendidas en un liquido, con suficiente viscosidad o tensión superficial para que las partículas permanezcan suspendidas mucho tiempo y produzcan una mezcla que se puede manejar como un líquido o pasta.

Normalmente el concreto dúctil no se usa como cubierta de acabado para casas, edificios históricos u otras estructuras en donde la apariencia es importante pero no se desea una vista moderna "industrial". Sin embargo, es un material dúctil fuerte que tiene menos probabilidad de agrietarse bajo fuerzas laterales que el concreto estándar.

También se pueden usar otros materiales de matriz tales como polímeros orgánicos u otros materiales cementosos inorgánicos para crear el mortero 50.

Generalmente los materiales de construcción, tales como piedra, ladrillo y adobe, no son transportados más de lo necesario. Como resultado, las estructuras en un país o zona geográfica dados tienden a tener apariencias distintivas. Para adaptar el mortero 50, se prefiere usar los materiales minerales que son similares a los usados originalmente para la estructura.

En el caso de los edificios históricos, frecuentemente es deseable determinar los componentes de los materiales originales, tal como por ejemplo mediante examen microscópico o análisis químico.

Por ejemplo, muchos edificios públicos más viejos de la región central de los Estados Unidos son de una piedra bronceada llamada caliza de Indiana. En la región sudoeste de los Estados Unidos, muchos edificios históricos son de ladrillos de adobe cuyo color varía dependiendo del contenido de hierro de la arcilla local.

De esta manera, para reforzar una estructura en la región central de los Estados Unidos podría ser apropiado incorporar caliza molida en el mortero 50 para producir una superficie lisa bronceada en la estructura reforzada. En la región sudoeste de los Estados Unidos se podría agregar arcilla de adobe o arenisca molida al mortero 50 para hacerlo semejante al ladrillo o piedra.

Los materiales minerales obtenidos localmente pueden incluir arena, arcilla, grava, piedra molida o colorantes minerales. Aunque se describe aquí que los minerales usados para la cubierta de acabado de mortero adaptado 50 se obtienen localmente, se entiende que los materiales minerales se han de obtener preferiblemente de la misma fuente que los materiales de la estructura original. Por ejemplo, si una estructura histórica en Indonesia se construyó originalmente de mármol italiano importado, puede ser estéticamente deseable obtener material de la misma cantera en Italia para adaptar el mortero 50 si se refuerza la estructura en Indonesia.

Una modalidad alternativa del sistema de refuerzo 10 se ilustra en las figuras 3 y 4. La figura 3 es una vista en planta superior del sistema de refuerzo 10 usado para reforzar una junta de expansión 122 de una estructura, tal como un puente 120. La figura 4 es una vista seccional tomada sobre la línea 4-4 de la junta de expansión 122 de la figura 3.

La junta de expansión 122 es una característica de diseño del puente 120. Es un claro de varios centímetros de ancho, dejado entre secciones del puente 120 para permitir la expansión térmica del material de puente. El claro de la junta de expansión 122 normalmente se rellena para proveer una superficie lisa para el tráfico.

El relleno de la junta de expansión 122 debe ser de un material que sea dúctil y que no altere la función de la junta de expansión 122. Se ha encontrado que la modalidad alternativa del sistema de refuerzo 10 ilustrado en las figuras 3 y 4 es una forma económica y muy eficiente de revestir la junta de expansión 122.

La junta de expansión 122 se ha creado con un hueco 125 para ser rellenado para proveer una superficie superior lisa. Para rellenar la junta de expansión 122 usando el sistema 10 de la presente invención, se echa una primera capa de mortero 50 en el hueco 125, llenando el hueco 125 aproximadamente a la mitad. Después, una tira del material textil 20 que se describe arriba se extiende sobre el mortero 50. Una segunda capa de mortero 50 se vacía o extiende sobre el material textil 20 para llenar el hueco 125 al nivel deseado. El mortero 50 puede ser texturizado a voluntad o se puede dejar en el mismo estado aplicado. Para esta modalidad del sistema 10 normalmente no se requieren las anclas de fibra 30.

Se puede notar que el sistema de refuerzo 10 practicado para reforzar estructuras tales como edificios, opcionalmente se puede instalar de forma similar al método de relleno de las juntas de expansión 122. Esto es, se puede extender una primera capa de mortero 50 sobre la pared original 1 10 de la estructura, y después el material textil 20 se une sobre la primera capa de mortero 50. Preferiblemente se usan todavía las anclas de fibra 30 como se describe arriba detalladamente. De preferencia las anclas de fibra se instalan después de la primera capa de mortero 50. Se aplica una segunda capa de mortero 50 sobre el material textil 20 y las anclas de fibra 30, y después se da el acabado también como se describe arriba.

Este método de práctica de la presente invención es especialmente útil en el caso de edificios que se construyen de materiales frágiles, o que han sido debilitados por la intemperie, degradación por contaminación, o sismos. Otra precaución que se toma en el caso de edificios frágiles es crear una perforación para el ancla de fibra 30 que sea más profunda que la usada normalmente para una matriz fuerte, tal como concreto no dañado.

Aunque se han ilustrado y descrito modalidades particulares de la invención, se pueden hacer varios cambios de la forma, composición, construcción y disposición de las partes, sin sacrificar ninguna de sus ventajas. Por lo tanto, se entiende que toda la materia de la presente se considera ilustrativa y no en un sentido limitativo, y se considera que las reivindicaciones anexas cubren tales modificaciones que están dentro del verdadero espíritu y alcance de la invención.

Claims (16)

1. NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES 1.- Un método para reforzar estructuras que incluye los pasos de: unir un material textil compuesto de fibras resistentes a la alcalinidad a una superficie de la estructura que se quiere reforzar; y extender una capa de una suspensión endurecible sobre el material textil unido, de tal manera que la suspensión cubra e incluya el material textil; la suspensión incluyendo partículas minerales que son similares en textura, color, o ambos, a la superficie original de la estructura. 2 - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el paso de unir un material textil comprende los subpasos de: extender una tela compuesta de fibras de basalto sobre una superficie de la estructura; y unir la tela a la superficie con medios de unión dúctiles. 3.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el paso de unir la tela a la superficie con medios de unión dúctiles comprende los subpasos de: perforar un agujero a través de la tela resistente a la alcalinidad y hacia la estructura; insertar un tramo de mecha de fibra en el agujero, con un extremo libre saliendo arriba de la tela; rellenar el agujero con un material de relleno adecuado; y unir el extremo libre de la mecha sobre la tela con un adhesivo adecuado. 4 - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el paso de extender una capa de suspensión endurecióle sobre la tela comprende: extender una suspensión que contiene una matriz cementosa o de polímero y además incluir materiales minerales explotados de roca en un lugar geográficamente cercano a la estructura que se quiere reparar. 5.- El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque el paso de extender una capa de suspensión que contiene arena, piedra molida o minerales comprende: extender una suspensión que incluye arena, piedra molida o materiales minerales, que produce una apariencia de acabado sustancialmente del mismo color y textura que la superficie original de la estructura. 6 - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque incluye adicionalmente los pasos de: extender una capa inferior de suspensión endurecible que contiene partículas minerales directamente sobre la superficie de la estructura. 7 - Un método para reforzar una estructura que incluye los pasos de: crear un mortero de acabado de superficie adaptado, mezclando materiales minerales con una matriz fluida endurecible, el mortero de acabado de superficie adaptado formulado a fin de producir una apariencia de acabado con color y textura sustancialmente iguales que la superficie original de la estructura; extender una tela compuesta de fibras resistentes a la alcalinidad sobre las superficies de la estructura que se quiere reforzar; unir la tela a la estructura por medios de unión dúctiles; y extender una capa del mortero de acabado de superficie adaptado sobre la tela unida. 8. - El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque el paso de crear un mortero de acabado de superficie adaptado incluye: obtener materiales minerales de una fuente geográficamente local a la estructura. 9. - El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque el paso de extender una tela comprende: extender una tela compuesta de fibras resistentes a la alcalinidad sobre una o más superficies de la estructura que se quiere reforzar. 10. - El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque el paso de crear un material de acabado de superficie adaptado incluye los subpasos de: obtener una matriz fluida endurecible adecuada del grupo de: mortero cementoso, cemento dúctil, material epóxico, poliuretano, o material acrílico. 1 1. - El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque la estructura que se quiere reforzar es un edificio histórico que debe retener sustancialmente su apariencia original después de ser reforzado. 12 - El método de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado además porque el paso de extender una tela comprende: extender una tela compuesta de fibras de basalto sobre una o más superficies de la estructura que se quiere reforzar. 13. - Un sistema para el refuerzo de una estructura, que incluye: material textil resistente a la alcalinidad que cubre sustancialmente un elemento estructural de la estructura que se quiere reforzar; medios de conexión dúctiles para conectar dicho material textil con el elemento estructural; y mortero que incluye materiales minerales seleccionados para igualar el color o la textura existentes de la estructura, o ambas cosas. 14. - El sistema de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque dicho material textil resistente a la alcalinidad comprende: una tela tejida de fibras o basalto. 15.- El sistema de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque dichos medios de conexión dúctiles comprenden una pluralidad de anclas de fibra. 16.- El sistema de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado además porque dichos materiales minerales incluyen por lo menos un componente obtenido geográficamente cerca de la estructura que se quiere reforzar.