Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural · independiente y por vez primera, la resina de poliéster. En este mismo periodo, la empresa Owens-Illinois Glass Company inicio la

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USO DE MATERIALES COMPUESTOS EN LA INFRAESTRUCTURA DE OBRA CIVIL DEL SECTOR ELÉCTRICO

Miguel Ángel Guzmán Barriga1

RESUMEN

En este artículo se describen los resultados parciales de un proyecto en desarrollo orientado a evaluar el

posible uso estructural de materiales compuestos dentro de la infraestructura del sector eléctrico en nuestro

país, cuyo alcance incluye la detección de áreas de oportunidad para la aplicación de estos materiales y el

diseño, fabricación y prueba de prototipos a escala natural. Los resultados obtenidos permiten corroborar las

propiedades sobresalientes de los materiales compuestos y la factibilidad técnica de su uso como parte de la

infraestructura básica en el área de transmisión y transformación de energía.

ABSTRACT

In this article, the partial results of a developing project oriented to evaluate the possible structural use of

composite materials within the infrastructure of the electrical sector in our country are described, whose reach

includes the detection of areas of opportunity for the application of these materials and the design,

manufacture and test of prototypes on natural scale. The obtained results allow corroborate the excellent

properties of the composite materials and the technical feasibility of their use like part of the basic

infrastructure in the transmission and transformation area.

INTRODUCCIÓN

En las últimas décadas, los organismos responsables de la operación de infraestructura alrededor del mundo

han estado involucrados en una lucha permanente contra el deterioro por corrosión. Se estima que el costo

directo de la corrosión metálica tan solo en los Estados Unidos de Norteamérica asciende a aproximadamente

300 mil millones de dólares anuales, según datos de la CC Technologies Laboratories Inc., obtenidos con

apoyo de la Asociación Nacional de Ingenieros en Corrosión de ese país (NACE). En la medida que se

construye nueva infraestructura, también se incrementan los requerimientos de mantenimiento de la misma.

Al reconocerse que se requieren de nuevas estrategias, tanto para la construcción de infraestructura que

ofrezca mayor durabilidad ante su exposición al medio ambiente, como para la reparación de la

infraestructura existente, en los años recientes se ha incrementado el interés por los materiales compuestos,

particularmente los constituidos por resinas reforzadas con fibra, conocidos comúnmente como FRP (Fiber

Reinforced Plastics) por sus siglas en ingles, o simplemente como Composites.

A partir del desarrollo de los primeros materiales poliméricos, a mediados del siglo XIX, estos han

encontrado un amplio campo de aplicación que se ha reflejado en multitud de productos puestos a disposición

de la sociedad y hoy en día casi cualquier persona hace uso rutinario de los mismos, con un amplio espectro

de aplicaciones, desde envases para diversos productos hasta aplicaciones de alta tecnología. De especial

interés resultan los denominados materiales compuestos, los que usualmente constan de dos componentes:

una matriz y un refuerzo. La matriz generalmente consiste de algún tipo de polímero, aunque suelen utilizarse

en un número reducido de aplicaciones metal o cerámica. Por otra parte, el refuerzo en la mayoría de las

aplicaciones suele ser de fibra de vidrio, con diferentes arreglos dentro de la matriz, y en menor medida de

otro tipo de materiales, como fibra de carbón. Las propiedades de los materiales compuestos resultan entonces

de la combinación de las propiedades de los elementos constituyentes. Aunque los materiales compuestos de

1 Investigador de la Gerencia de Ingeniería Civil, Instituto de Investigaciones Eléctricas, Calle Reforma No.

113, Col. Palmira, 62490 Cuernavaca, Morelos. Teléfono (777) 362-3811 ext. 7764; Fax: (777) 362-3833;

[email protected]

mailto:[email protected]

XVI Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Veracruz, Ver., 2008

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alto desempeño tuvieron sus primeras aplicaciones dentro de la industria militar y aeroespacial, en los últimos

años ha sido cada vez mayor su aplicación en diversos campos, incluida la construcción de infraestructura.

Entre las características que han fomentado el uso de los materiales compuestos se encuentran sus

propiedades anticorrosivas, bajo peso volumétrico, alta resistencia mecánica, su no conductividad térmica y

eléctrica, transparencia electromagnética, así como facilidad de trasporte y ensamble. El uso competitivo de

los materiales compuestos se ha fundamentado en el aprovechamiento de sus propiedades físicas y mecánicas

y en la evaluación de las ventajas que ofrece su uso considerando, además de los costos de adquisición, los

costos de instalación y mantenimiento. Lo extenso de las actividades de investigación en el campo de la

tecnología de los materiales compuestos, orientadas a la síntesis de nuevos materiales constituyentes, la

caracterización de su comportamiento estructural, el desarrollo de nuevas aplicaciones y el abatimiento de los

costos de producción, entre otros, hacen previsible que la aplicación de estos materiales seguirá

incrementándose continuamente. En el caso particular de la ingeniería estructural, se estima que la

publicación futura de códigos de diseño por parte de organismos plenamente reconocidos, tales como la

Sociedad Americana de Ingenieros Civiles, propiciará un uso generalizado de los materiales compuestos para

aplicaciones estructurales.

En el desarrollo de este artículo se proporciona un panorama general de la tecnología de los materiales

compuestos, en particular de los materiales para uso estructural; se resumen los resultados de las actividades

de diagnóstico de la problemática factible de resolverse con el uso de estos materiales en el área de

transmisión y transformación de energía eléctrica; se presentan algunos sistemas estructurales importantes en

dicha área en los que se ha previsto la utilización de estos materiales. Adicionalmente, se resumen los

resultados del diseño, fabricación y prueba de resistencia mecánica de un pedestal para soporte de equipo

primario de subestaciones constituido de elementos de resina reforzada con fibra de vidrio, así como los

resultados de pruebas de intemperismo acelerado en probetas de este material. Se describe también de manera

general el avance en el desarrollo de otras aplicaciones estructurales.

ASPECTOS GENERALES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Los FRP son los materiales de más reciente desarrollo para la construcción de proyectos de gran escala y

constan de una amplia variedad de materiales diseñados para disponer de alta resistencia y reducir el peso de

las estructuras. Sin embargo, conviene señalar que este tipo de materiales pueden adolecer de limitantes que

deben tomarse en cuenta cuidadosamente en el diseño. Al igual que con cualquier material de construcción no

tradicional, es importante el conocimiento de las propiedades únicas de los materiales compuestos y las

diferencias de comportamiento que éstos exhiben con respecto a otros materiales.

QUÉ SON LOS MATERIALES COMPUESTOS

Los materiales compuestos resultan de la combinación de diferentes materiales componentes. Una definición

general podría ser “Dos o más materiales distintos que al combinarse exhiben propiedades superiores a las de

los materiales individuales “. Pueden ser naturales, sintéticos o una combinación de ambos. La madera es un

buen ejemplo de un material compuesto natural. La madera chapeada es un material compuesto que combina

materiales naturales y sintéticos, en la que capas delgadas de madera son unidas entre sí mediante adhesivos

para formar hojas planas de madera laminada que resultan más resistentes que la madera natural. El concreto

reforzado con acero constituye un material compuesto clásico que ha sido la base del desarrollo de gran parte

de la infraestructura actual. Las propiedades de rigidez y resistencia a compresión del concreto combinadas

con la alta resistencia a tensión del acero dan como resultado un material con una alta resistencia tanto en

tensión como en compresión.

La definición de materiales compuestos dada anteriormente, aunque precisa, resulta muy general. En lo

subsecuente, al hacer referencia a los materiales compuestos la discusión se limitará a los materiales

constituidos por una matriz de material polimérico reforzada con fibra, entre otros posibles componentes. Los

materiales compuestos poseen propiedades diferentes a las de otros materiales. Los metales, por ejemplo,

exhiben un comportamiento isotrópico, es decir, sus propiedades son las mismas en cualquier dirección, a

diferencia de los materiales compuestos que pueden ser diseñados para dotarlos de resistencia en una

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dirección específica. Si un elemento constituido de material compuesto estará sujeto principalmente a flexión

en una dirección, la mayor parte de las fibras de refuerzo se orientarán en la dirección de la fuerza de flexión.

Con lo anterior se logrará un elemento con rigidez y resistencia en la dirección deseada.

Los materiales compuestos también se diferencian de otros materiales tradicionales debido al amplio rango de

combinaciones de materiales que pueden utilizarse en su fabricación. Por lo anterior, el esquema de diseño de

sistemas estructurales constituidos por elementos de materiales compuestos a través de manuales de diseño,

resulta más complicado que en el caso de estructuras de acero, concreto reforzado, aluminio o madera. Lo

anterior se comprende si se considera que el comportamiento mecánico y las propiedades físicas de los

distintos tipos de materiales compuestos existentes hoy en día varía ampliamente, desde los materiales de

bajas especificaciones hasta los materiales de alto desempeño utilizados en ciertas aplicaciones de alta

tecnología, por lo que no se puede hablar de materiales compuestos típicos o propiedades típicas de manera

general.

ANTECEDENTES HISTÓRICOS

La combinación de materiales naturales para formar materiales compuestos se remonta a la antigua cultura

egipcia, en donde se acostumbraba fabricar ladrillos de adobe a partir de fango y paja, obteniéndose un

material con mejores propiedades que sus elementos constituyentes. En el siglo XII, los Mongoles utilizaron

eficientemente los principios de la fabricación de materiales compuestos en la construcción de arcos para la

industria bélica, los cuales resultaban de menor peso y medidas, pero mayor potencia que los utilizados por

sus adversarios. Estos arcos eran fabricados combinando tendones y cuernos de ganado, con bambú y seda,

los cuales se enlazaban mediante resina natural de pino. Según pruebas recientes efectuadas en algunas piezas

que datan de esa época, se encontró que las mismas conservan una potencia de tiro de aproximadamente el

80% de la potencia que se tiene en arcos fabricados con materiales compuestos modernos.

En épocas más recientes, entre los años 1870 y 1890, se presentó una revolución en la industria química con

el desarrollo de las primeras resinas sintéticas (fabricadas por el hombre). Entre las primeras resinas

elaboradas se encontraban la celulosa, la melamina y la bakelita. A principios de la década de los años

treintas, en el siglo pasado, las empresas American Cyanamid y DuPont desarrollaron, de manera

independiente y por vez primera, la resina de poliéster. En este mismo periodo, la empresa Owens-Illinois

Glass Company inicio la fabricación, con fines comerciales, de tejidos elaborados a partir de fibra de vidrio.

Se atribuye a Ray Green, ciudadano del estado de Ohio, Estados Unidos de Norteamérica, la primera

combinación de la resina de poliéster con fibra de vidrio en la fabricación de pequeñas embarcaciones, entre

los años 1934 y 1936, lo cual marca el inicio de los materiales compuestos modernos.

Durante la segunda guerra mundial, el desarrollo del radar hizo necesario el uso de materiales no metálicos,

con lo que la industria militar dio un importante impulso a la tecnología de los materiales compuestos con el

financiamiento de diversos proyectos de investigación. A la finalización de este periodo, los materiales

compuestos emergen como una importante alternativa en el desarrollo de proyectos de ingeniería de diversa

índole. En la década siguiente, la industria de los materiales compuestos tuvo un importante desarrollo. La

mayoría de los métodos de fabricación de productos elaborados a partir de materiales compuestos se

desarrollaron en ese periodo. Entre los productos manufacturados se encontraban embarcaciones, partes

automotrices, componentes de aviones, tanques de depósito subterráneos y artículos para la industria de la

construcción, entre otros.

Lo anterior permite constatar que tanto el desarrollo de los materiales compuestos, como la implementación

de aplicaciones en diferentes sectores no es un tema nuevo. Lo que indudablemente resulta innovador en la

actualidad es el desarrollo de aplicaciones en áreas en las que anteriormente no se había tenido una presencia

importante de este tipo de materiales, como es el caso del desarrollo de infraestructura de obra civil. Más

adelante se presenta información ampliada respecto a la aplicación de los materiales compuestos en diversos

sectores. Se describen también aplicaciones recientes en el desarrollo de infraestructura de obra civil

documentadas en la literatura.


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PROPIEDADES SOBRESALIENTES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

El creciente interés por el uso de los materiales compuestos en un número cada vez mayor de sectores

obedece a las propiedades únicas que éstos exhiben. Debido al número de diferentes tipos de materiales

compuestos disponibles hoy en día, no es práctico intentar enumerar la totalidad de propiedades sobresalientes

de estos materiales. Sin embargo, la generalidad de los materiales compuestos comparten propiedades

comunes, entre las que se pueden mencionar:

Alta Resistencia Mecánica. Los materiales compuestos pueden diseñarse para satisfacer los requerimientos

específicos de resistencia de la aplicación que se pretenda hacer. Una de las principales ventajas de los

materiales compuestos sobre otro tipo de materiales es la posibilidad de utilizar una gran diversidad de

combinaciones de resinas y refuerzos y, por lo tanto, personalizar las propiedades físicas y mecánicas del

material resultante.

Bajo Peso. Los materiales compuestos poseen un bajo peso combinado con una alta resistencia mecánica. De

hecho, estos materiales poseen una mayor relación resistencia/peso que cualquier otro tipo de material.

Resistencia a la corrosión. Los productos de materiales compuestos resisten largos periodos de exposición a

ambientes químicos y de temperatura severos. Estos materiales son altamente recomendables para

aplicaciones que involucran el manejo de productos químicos, así como para su uso en ambientes de servicio

severos.

Flexibilidad en el diseño. Los materiales compuestos poseen ventaja sobre otros materiales dada la

posibilidad de poder ser moldeados en formas complejas a un costo relativamente bajo, lo cual brinda libertad

al diseñador, permitiendo además reducir el número de componentes individuales en el ensamble de un

elemento.

Durabilidad. Las estructuras de materiales compuestos poseen una larga vida de servicio. Conjuntamente con

limitadas labores de mantenimiento, la durabilidad de estos materiales resulta altamente benéfica en

aplicaciones críticas.

A las propiedades anteriores se suman la facilidad de manejo, transporte y ensamble, la no conductividad

térmica o eléctrica, así como las propiedades retardantes de flama, entre otras. Un uso eficiente de este tipo de

materiales debe orientarse a aprovechar las propiedades únicas que los mismos poseen.

ESTRUCTURA INTERNA Y ELEMENTOS CONSTITUYENTES DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Como ya se mencionó, la mayoría de los materiales compuestos constan de dos materiales constituyentes:

matriz y refuerzo (figura 1). El refuerzo usualmente es más resistente y rígido que la matriz y define en gran

medida las propiedades del material compuesto. La matriz por su parte permite mantener el refuerzo en un

arreglo ordenado. Dado que el refuerzo en algunos materiales suele ser discontinuo, la matriz puede también

participar en la transmisión de esfuerzos.

El refuerzo básicamente puede consistir de partículas, fibras discontinuas y fibras continuas. Las partículas de

refuerzo usualmente son elementos con las mismas dimensiones en cualquier dirección, aunque no

necesariamente con geometría esférica. El refuerzo discontinuo por su parte, suele constar de fibras que varían

en longitud desde unos pocos milímetros hasta varios centímetros. Al utilizar refuerzo mediante partículas o

fibras discontinuas, la matriz debe transferir la carga entre los elementos de refuerzo. Lo anterior ocasiona que

las propiedades mecánicas del material compuesto sean influidas de manera muy importante por las

propiedades de la matriz. En contraparte, al utilizarse fibras de refuerzo continuas las propiedades mecánicas

dependen en gran medida de las propiedades de la fibra de refuerzo, por lo que esta opción de refuerzo suele

utilizarse en la mayoría de los materiales compuestos de alto desempeño. El material de refuerzo en la gran

mayoría de las aplicaciones suele ser fibra de vidrio, aunque en aplicaciones de alta tecnología, en las que se

requiere el uso de materiales de muy alto desempeño, suelen utilizarse fibras de carbono y aramida.

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Figura 1 Elementos constituyentes en los materiales compuestos

Los materiales que constituyen la matriz suelen ser algún tipo de plástico, por lo que este tipo de materiales

compuestos también se conocen como plásticos reforzados. Es importante mencionar que también se utilizan

como matrices materiales metálicos, cerámicos o cementíticos, aunque las matrices plásticas son las que se

emplean en la mayoría de las aplicaciones. En lo que se refiere exclusivamente a las matrices plásticas,

pueden emplearse polímeros termoestables o termoplásticos. En los polímeros termoestables, tales como el

poliéster, el viniléster y las resinas epoxi, la configuración geométrica que adquieren durante el proceso de

moldeo es irreversible. Por su parte, los polímeros termoplásticos, como el polietileno, el nylon y el

poliestireno, tienen la propiedad de poder ser remoldeados cuando son sometidos a altas temperaturas. En la

fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica normalmente se utilizan resinas termoestables.

En la industria de los materiales compuestos se utilizan una gran variedad de combinaciones de matrices y

refuerzos. Cada tipo de material contribuye de una manera específica en las propiedades del material

compuesto resultante. Por ejemplo, si se requiere un material con una alta resistencia a la corrosión, puede

utilizarse resina de viniléster. Si el factor crítico es una alta resistencia mecánica, puede utilizarse una resina

de epoxi. Si se busca un material de bajo costo, el uso de resina de poliéster puede ser una opción adecuada.

En el caso específico de resinas de poliéster, pueden utilizarse diferentes formulaciones químicas si el aspecto

del material es relevante, si se requiere incrementar la resistencia a la corrosión o si el material estará

expuesto a temperaturas elevadas, entre otras posibilidades. En cuanto al refuerzo, el tipo de material y su

disposición dentro de la matriz definen en gran medida las propiedades finales del material compuesto.

Aunque aproximadamente el 90% de las aplicaciones utilizan la fibra de vidrio, cuando se tienen

requerimientos de alta resistencia mecánica puede optarse por otros materiales, como el Kevlar y la fibra de

carbono. Por lo anterior, puede concluirse que la selección del tipo de matriz y refuerzo debe considerar los

aspectos de costo y funcionalidad del material resultante.

MERCADO DE LOS MATERIALES COMPUESTOS

Según algunos estudios publicados (Anónimo, 2002), el mercado mundial de materiales compuestos creció

desde 1994 hasta el año 2000 a un ritmo de 5,7% anual. En el año 2000 se produjeron, a nivel mundial, siete

millones de toneladas, correspondiendo más del 95% a materiales compuestos de gran uso. Se estima que esta

producción alcanzó 10 millones de toneladas en el año 2006. Dentro de los diferentes tipos de materiales

compuestos, con respecto a la matriz, el crecimiento es mayor para compuestos termoplásticos que para

compuestos termoestables: el 9% y el 3% anual, respectivamente. Sin embargo, los materiales compuestos

termoestables representan más de dos terceras partes del mercado.

El mercado norteamericano es, con gran diferencia, el más importante, representando el 47% de la producción

mundial (3.4 millones de toneladas). A continuación aparece Europa con el 28% (2.0 millones de toneladas)

seguida muy de cerca por Asia con el 23% (1.6 millones de toneladas). El resto de las zonas geográficas

quedan muy por debajo de las mencionadas. Sin embargo, el crecimiento del mercado en Asia y Europa es

superior al de Estados Unidos (el 7% y el 4,5% anual respectivamente). El mercado latinoamericano agrupa

solo el 2% del mercado mundial, aunque ha tenido un crecimiento muy dinámico, del orden de 8% anual.


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APLICACIONES EN INFRAESTRUCTURA DE OBRA CIVIL

Comparado con otras aplicaciones, el uso de los materiales compuestos en el desarrollo de infraestructura de

obra civil no ha sido tan generalizado ni de tan rápido crecimiento como se podría esperar. El

conservadurismo de diseñadores, constructores y propietarios, aunado al poco conocimiento que se tiene de

este tipo de materiales, entre otros factores, ha impedido el aprovechamiento de las cualidades únicas de los

materiales compuestos.

Aunque lentamente, se han ido desarrollando nuevas aplicaciones en el campo de la infraestructura de obra

civil. En buena medida, el desarrollo de estos proyectos ha tenido como uno de sus principales objetivos el

demostrar la factibilidad de aplicación de los materiales compuestos en el desarrollo de soluciones novedosas.

En otros casos, se ha optado por soluciones que hacen uso de los materiales compuestos por constituir la

mejor alternativa desde un punto de vista técnico-económico. De hecho, la aparición de nuevas aplicaciones

que han usado algún tipo de material compuesto, es siempre una señal de que la industria de estos materiales

va siendo aceptada poco a poco por el sector.

En el área de la edificación urbana e industrial, desde las paredes externas y el tejado hasta las paredes

internas, existen bastantes aplicaciones para los productos de materiales compuestos para cualquier tipo de

construcción residencial, edificios escolares, industriales o agrícolas, oficinas, complejos deportivos,

aeropuertos, etc. Como elementos exteriores de edificios, los materiales compuestos pueden estar presentes en

columnas, bóvedas, cornisas, así como en revestimientos y coberturas para paneles de protección y

aislamiento, letreros y láminas translúcidas planas u onduladas. La restauración de fachadas con la utilización

de materiales compuestos de fibras de vidrio contribuye para mejorar la apariencia de las edificaciones.

Pueden utilizarse también en cancelerías exteriores, en sustitución de materiales tradicionales como la madera

o el aluminio (figura 2). Se han construido algunas edificaciones íntegramente en materiales compuestos con

el propósito de evaluar la factibilidad de nuevos usos en esta área, como es el caso de los edificios Nesthaus y

Eyecatcher mostrados en la figura 3.

Figura 2 Ventanas y puertas de perfiles pultruidos

En instalaciones industriales, donde usualmente se tienen ambientes altamente agresivos que propician el

deterioro del acero, se encuentra una de las aplicaciones más extendidas de los materiales compuestos,

consistente en la construcción de rejillas y barandales de protección para la circulación del personal en planta,

como se muestra en la figura 4. En el caso de las rejillas, además de la resistencia al deterioro, los elementos

de materiales compuestos brindan protección adicional al usuario dada la posibilidad de incorporar acabados

antiderrapantes. El bajo peso del material también facilita considerablemente el retiro de las rejillas, en los

casos en que esto se requiera. Este es el tipo de aplicaciones que comienzan a desarrollarse en nuestro país.

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Figura 3 Edificios Nesthaus y Eyecatcher

Figura 4 Rejillas y barandales

Como elementos estructurales, los perfiles pultruidos han tenido aplicación en la construcción de plataformas

de soporte de equipos e instalaciones, sistemas de cubierta y torres de enfriamiento, desarrollados

íntegramente con materiales compuestos. Algunos ejemplos de estas aplicaciones se muestran en la figura 5.

La aplicación de materiales compuestos ha abierto un mercado importante en la construcción de puentes.

Precisamente es este campo y en los Estados Unidos de Norteamérica donde se encuentran los mayores

avances en la investigación del uso de materiales compuestos en la construcción de infraestructura vial. En

este tipo de aplicaciones, los materiales compuestos proporcionan alta capacidad de carga con bajo peso del

material. Esta característica evita gastos por equipamientos pesados y reduce considerablemente el tiempo de

instalación (figura 6).


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Figura 5 Plataformas, cubiertas y torres de enfriamiento

Figura 6 Tablero de puente vehicular

Se han construido también otros puentes, tanto vehiculares como peatonales, utilizando configuraciones

estructurales similares a las usadas en puentes de materiales tradicionales, como se muestra en la figura 7.

Figura 7 Vistas generales de puentes vehicular y peatonal

Dada la transparencia electromagnética que poseen los materiales compuestos, se han utilizado con éxito en la

construcción de la estructura de soporte de torres de telecomunicaciones y como elementos de refuerzo de

estructuras de concreto (figura 8). Otro tipo de aplicaciones buscan aprovechar el aspecto que ofrecen los

elementos estructurales fabricados con materiales compuestos, con el propósito de reducir el impacto en el

entorno, como se muestra en la figura 9.

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Figura 8 Uso de la transparencia electromagnética

Uno de los usos de los materiales compuestos con el que probablemente se esté más familiarizado, es como

elementos de reparación y refuerzo de estructuras construidas con otros materiales, mediante el uso de

preimpregnados fibra de carbono – resina epoxi, precurados o curados en sitio (figura 10).

Figura 9 Puentes peatonales en parques nacionales

Figura 10 Uso en reparación y refuerzo de estructuras


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El sector eléctrico no ha sido ajeno al uso de los materiales compuestos en el desarrollo de infraestructura.

Entre las aplicaciones que se han implementado desde hace ya algún tiempo pueden mencionarse las crucetas

y estructura principal de postes de distribución de energía. Ya se construyó también la primera línea de

transmisión con estructuras de soporte fabricadas totalmente de perfiles pultruidos (figura 11).

Podrían mencionarse muchos otros ejemplos de aplicación de materiales compuestos en la construcción de

infraestructura de todo tipo. Los ejemplos descritos e ilustrados anteriormente se incluyeron con el fin de ser

una muestra representativa de las posibilidades actuales que ofrece el uso de estos materiales.

Figura 11 Estructuras de soporte en líneas eléctricas

PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS

Una de las características que distinguen el campo de los materiales compuestos es la diversidad de tipos de

material que pueden lograrse de las distintas combinaciones de matrices y refuerzos. En este sentido, algunos

investigadores han estimado en varias decenas de miles los diferentes tipos de materiales compuestos de que

se puede disponer hoy en día. Lo anterior implica que no es posible definir propiedades físicas y mecánicas

genéricas para los diferentes tipos de materiales. Por ello, al planearse la utilización de un determinado

material compuesto, las propiedades que resultarán de interés son las correspondientes específicamente al

material que se esté manejando y que sean obtenidas de pruebas físicas con procedimientos normalizados por

organismos reconocidos, ejecutadas por el proveedor del material o por el propio diseñador.

Dado que resultan de especial interés los perfiles estructurales fabricados por la técnica de pultrusión, en este

artículo se proporcionan algunas propiedades físicas y mecánicas usuales en este tipo de elementos y el

comparativo con las propiedades de materiales tradicionales. La información corresponde únicamente a

perfiles pultruidos con matriz de poliéster con un 50% a 70% de refuerzo de fibra de vidrio en peso, dispuesto

básicamente en la dirección longitudinal del perfil y con malla de refuerzo en la superficie. Esta es una

combinación de materiales usual. Sin embargo, debe recalcarse que en función de los requerimientos de

desempeño físico y mecánico del material, pueden utilizarse otras combinaciones de matriz y refuerzo, así

como de disposición de éste dentro de la matriz. En la tabla 1 se describen cualitativamente algunas

propiedades del material que suele utilizarse en la fabricación de perfiles estructurales pultruidos y su

comparación con materiales convencionales y en la tabla 2 se presenta información sobre algunas de sus

propiedades físico-mecánicas. Los perfiles pultruidos son elemento de gran resistencia frente a compuestos

químicos tanto de naturaleza ácida como de naturaleza básica. Al no sufrir procesos de oxidación,

permanecen inalterados ante fenómenos ambientales como la lluvia ácida, lo que los convierte en piezas de

gran utilidad para su uso en ambientes marinos o industriales. En la tabla 3 se muestra la aplicabilidad de los

perfiles pultruidos en ambientes con exposición a diferentes compuestos químicos.

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Tabla 1 Propiedades de perfiles pultruidos

Tabla 2 Propiedades físico-mecánicas de perfiles pultruidos

PROPIEDAD

PULTRUIDOS

ACERO

ALUMINIO

MADERA

Resistencia a la corrosión

No se corroe. Resistente a ácidos, sal, agua…

Sujeto a corrosión Puede sufrir corrosión galvánica

Puede combarse y descomponerse en contacto con la humedad

Peso

25% del acero 70% del aluminio

4 veces más pesado 1.4 veces más pesado

Más ligero que los FRP’s

Conductividad eléctrica

Aislante eléctrico. Alta rigidez dieléctrica

Conductor Conductor Puede ser conductor cuando está mojado

Conductividad térmica

Muy baja conductividad

Alta conductividad Alta conductividad Mayor conductividad que los FRP’s

Resistencia al impacto

Distribuje la carga de impacto incluso a bajas temperaturas. No se deforma

Se puede deformar permanentemente bajo impacto

Se deforma fácilmente bajo impacto

Se deforma fácilmente bajo impacto

Costo

Precio del producto inicialmente más caro

Bajo costo inicial Igual o más bajo que los FRP´s

Bajo costo inicial

PERFILES PULTRUIDOS

ACERO

ALUMINIO

Unidades Longitudinal Transversal Independ.

Densidad

- - 1.65-1.90 8 3 gr/cm3

Resistencia a tensión

240-900 50-100 - 370-550 200-400 MPa

Módulo de elasticidad a tensión

20-40 5-7 - 210 70 GPa

Deformación máxima

1.5-2.0 1.5-2.0 - 5 18-24 %

Resistencia a compresión

240-450 20-70 - 370-550 200-400 MPa

Módulo de elasticidad a compresión

30 - - 210 70 GPa

Resistencia al desgarre

150 70 MPa

Temperatura de uso

- - -50 +160

-100 +400

-100 +240

ºC


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Tabla 3 Recomendaciones de uso en ambientes de alta contaminación

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Tradicionalmente la práctica del diseño estructural ha seguido un esquema basado de manera muy importante

en el uso de códigos, manuales y guías de diseño por parte del diseñador. En lo que se refiere a materiales de

construcción tradicionales como el acero, el concreto reforzado y en menor medida la madera, se dispone de

suficiente información técnica para el diseño de sistemas estructurales constituidos por estos tipos de

materiales, la cual se basa de manera importante tanto en el desarrollo de extensas pruebas de laboratorio

como en la experiencia adquirida al analizar el comportamiento de las estructuras diseñadas con base en

dichos códigos y manuales. Se puede entonces reconocer que al manejar materiales tradicionales de

construcción, el diseñador estructural posee suficiente certidumbre en que la estructura diseñada con base en

la información técnica disponible cumplirá satisfactoriamente la función para la cual fue diseñada. El escenario anterior no se presenta actualmente cuando se pretende utilizar algún tipo de material compuesto

como material básico de un sistema estructural. Lo anterior obedece a que la información técnica disponible

para diseño es mucho más limitada que la existente para otros materiales como el acero o el concreto

reforzado. Más aun, la información existente no cuenta con el mismo respaldo con el que cuentan otros

códigos de diseño, tanto por el limitado número de pruebas físicas efectuadas en elementos de materiales

compuestos, como por la relativamente poca experiencia que se tiene en el uso de estos materiales en sistemas

estructurales.

En general, existe consenso entre los individuos y organismos involucrados en el uso de los materiales

compuestos en sistemas estructurales, en el sentido de que la falta de información técnica suficiente para

diseño ha sido uno de los factores que han impedido un uso más extenso de estos materiales. Lo anterior, ha

fomentado en el pasado la elaboración y publicación de información diversa para diseño, principalmente por

parte de los fabricantes.

En contraposición, hay quienes opinan que la falta de información para diseño estructural con materiales

compuestos no debería ser una limitante para el uso efectivo y confiable de los mismos. En este sentido,

proponen utilizar una metodología de diseño en la que se sigan los mismos procedimientos y criterios de

análisis y diseño utilizados al manejar otros materiales, pero considerando las propiedades mecánicas de los

materiales compuestos. Se afirma que bastaría con utilizar programas de diseño estructural convencionales,

modificando únicamente las propiedades del material (esfuerzo de rotura, módulo de elasticidad, etc.).

Aunque en principio pudiera parecer razonable, el criterio anterior no toma en cuenta las diferencias de

comportamiento y modos de falla que se podrían tener entre elementos fabricados con materiales compuestos

y los fabricados, por ejemplo, en acero. Al tenerse materiales con comportamientos diferentes, los elementos

estructurales constituidos por esos materiales podrían también exhibir un comportamiento estructural

diferente. A fin de ejemplificar lo anterior, limitemos la discusión al caso de elementos con sección

PERFILES PULTRUIDOS

Ácidos ++

Bases +

Disolventes orgánicos -

Disolventes clorados -

Agua de mar +++

Intemperie +++

(-) No recomendado (+) Resistente

(++) Muy resistente (+++) Resistencia excelente

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transversal simétrica sometidos exclusivamente a flexión. Mientras que en perfiles estructurales de acero la

falla, y por tanto la resistencia última, podría estar determinada por el pandeo del patín en compresión o del

alma, las pruebas efectuadas en vigas pultruidas muestran que la falla puede originarse por desgarramiento en

la zona de unión del alma con el patín. Dado que las expresiones para diseño de elementos estructurales se

basan de manera muy importante en el comportamiento y modos de falla observados en pruebas de

laboratorio, al presentarse un modo de falla distinto pueden resultar inválidas las expresiones para diseño

establecidas.

Si bien, los materiales compuestos exhiben propiedades físicas y mecánicas que los hacen altamente

atractivos para diversas aplicaciones, se debe reconocer también que algunas propiedades pueden no ser tan

buenas, o aun, resultar francamente inferiores a las de otros materiales. En el caso particular de los perfiles

pultruidos, las resistencias a tensión y compresión en dirección transversal del elemento resultan sumamente

bajas, comparadas con las resistencias que presentan en dirección longitudinal. Adicionalmente, los módulos

de elasticidad tanto en tensión como en compresión también resultan sumamente bajos. Ambas características

suponen verdaderos retos para el diseñador. En el caso de la baja resistencia en dirección transversal, pueden

presentarse serios inconvenientes en el diseño de conexiones mecánicas. Por su parte, el bajo módulo de

rigidez puede derivar en deformaciones excesivas en elementos sujetos a flexión o en bajas capacidades de

carga en elementos esbeltos sujetos a compresión. A pesar de la versatilidad que se tiene en la fabricación de

elementos de materiales compuestos, la cual permite modificar las propiedades físicas y mecánicas del

material mediante una selección adecuada de resinas y refuerzos, se debe ser conciente de que puede

requerirse superar retos de diseño importantes.

Dado que en las aplicaciones a desarrollar se anticipa que el diseño de las conexiones constituirá una

actividad crítica, a continuación se describen con mayor detalle algunos aspectos relacionados con dicho

diseño.

DISEÑO DE CONEXIONES

Al utilizar materiales compuestos, el diseñador enfrenta dos condiciones contradictorias. Por una parte

dispone de un amplio rango de materiales con propiedades útiles, que le ofrecen la oportunidad de

particularizar las propiedades del material en función de la aplicación que se pretenda hacer del mismo. En

contraposición, lo anterior implica el requerimiento de que al usar estos materiales, el diseñador deba fijar las

propiedades del mismo antes de su utilización. A lo anterior debe añadirse la necesidad de establecer el tipo

de conexión a utilizar en la unión de los elementos estructurales. Aun los materiales de más altas prestaciones

tendrán una utilidad limitada si los componentes fabricados a partir de ellos no pueden ser convenientemente

conectados entre sí o a componentes fabricados a partir de otros materiales.

Los elementos de materiales compuestos pueden ser conectados mediante adhesivos, procesos térmicos (en el

caso de los materiales termoplásticos) o bien utilizando conexiones mecánicas. Los parámetros de diseño para

cada una de estas técnicas de conexión son influenciados de manera muy importante por las propiedades

mecánicas y las dimensiones de los elementos a conectarse. Sin embargo, debe mencionarse que en el caso de

productos manufacturados específicamente para aplicaciones en ingeniería estructural, el diseñador puede

hacer uso de la información para diseño de conexiones contenida en diversos manuales publicados a la fecha.

Con el propósito de disminuir las dificultades que debe afrontar el diseñador al definir las conexiones,

diversos investigadores han publicado información cualitativa para el diseño de conexiones (Meyers, 1977),

además de haber recopilado datos cuantitativos para un número limitado de materiales utilizados en

ingeniería.

Además de tomar en cuenta el tipo de material, la selección de la técnica de conexión se basa en aspectos tales

como la resistencia requerida en la conexión (dependiente del tipo, magnitud y duración de los esfuerzos

aplicados), la confiabilidad necesaria, la vida útil de la estructura, facilidad de fabricación, función y

ubicación de la estructura, dimensiones de los elementos a ser conectados, así como el costo de la conexión.

En la tabla 4 se compara la capacidad de cada una de las técnicas de conexión para satisfacer varios aspectos

de los criterios antes mencionados. Debe notarse que los aspectos incluidos arriba del renglón sombreado, en

general son mejor satisfechos por las conexiones con adhesivos o térmicas, mientras que los incluidos debajo


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de dicho renglón son mejor satisfechos con el uso de conexiones mecánicas. Una vez seleccionado el tipo de

conexión a utilizar, se tendrán todavía consideraciones adicionales a tomar en cuenta en el diseño de la

conexión, tal como se describe a continuación para el caso de conexiones mecánicas.

Tabla 4 Comparación de técnicas de conexión

Propiedad Conexión con adhesivos Conexión mecánica Conexión térmica

Concentración de esfuerzos en la junta

Media alta media

Relación resistencia / peso

Media baja media

Uso con plásticos no rígidos

Sí requiere inserción de

material sí

Aislamiento térmico o eléctrico

Sí no sí

Resistencia a fatiga

Buena regular buena

Sensible a descascaramiento

Sí No no

Desensamble

Imposible posible imposible

Inspección

Difícil fácil difícil

Habilidad requerida del personal de instalación

Alta baja alta

Requerimiento de calor o presión

Sí no Sí

Costo de ejecución

Alto bajo alto

Tiempo requerido para alcanzar la resistencia última

Largo instantaneo corto

CONEXIONES MECÁNICAS

La mayoría de las conexiones mecánicas para plásticos son similares a las que se utilizan en materiales

convencionales, como acero o madera. Estas conexiones generalmente se realizan utilizando elementos de

acero o aluminio, aunque también pueden utilizarse elementos fabricados en plástico. Los conectores plásticos

tienen la propiedad de proporcionar mejor aislamiento térmico y acústico, así como una alta resistencia a la

corrosión, aunque son elementos de menor resistencia mecánica, no dúctiles y de costo relativamente alto

comparado con los conectores metálicos. En ocasiones suelen utilizarse elementos de relleno conjuntamente

con los conectores, los cuales permiten incrementar la resistencia al aplastamiento en la conexión, además de

facilitar el ensamble y desensamble de los elementos en la conexión.

La selección del tipo de conector a usar dependerá, en parte, de la importancia relativa de las ventajas y

desventajas que exhiben cada uno de ellos, las cuales se resumen en la tabla 5, la que, a su vez, dependerá de

la función a desempeñar por la estructura que se esté diseñando.

Las formas en que suelen fallar las conexiones que utilizan pernos dependen del tipo de carga a que están

sujetos los conectores. Cuando actúa principalmente tensión en dirección de su eje, la falla se producirá por

aplastamiento bajo la cabeza del conector, por falla a cortante de las fibras de refuerzo en el perímetro de la

cabeza del conector, o bien, por falla local a flexión del laminado. Este último tipo de falla es el que se

presenta comúnmente.

Por otra parte, cuando los elementos conectores están sujetos principalmente a carga lateral, la falla puede

originarse por rasgadura desde la perforación hacia el borde del laminado, por rasgadura a lo largo de una

15


línea de conectores, por aplastamiento del laminado, por tensión transversal (cuando se tiene solo refuerzo

longitudinal), así como por cortante en el conector.

Es recomendable diseñar este tipo de conexiones de tal manera que la resistencia al aplastamiento del

laminado controle la falla de la conexión. Con lo anterior se elimina la posibilidad de que se presente una falla

súbita por tensión o cortante, lográndose en cambio una falla gradual asociada con grandes deformaciones al

irse desarrollando el aplastamiento del laminado bajo los conectores. Dada la naturaleza no dúctil de los

plásticos reforzados con fibra, se requiere tener un buen ajuste del perno dentro del barreno, de manera que se

logre una adecuada distribución de esfuerzos a lo largo de la interfase entre ambos, pues no es posible evitar

la concentración de esfuerzos de aplastamiento por fluencia del material, como en el caso de elementos de

acero.

El comportamiento de conexiones remachadas, en general, es similar al descrito para conexiones con pernos.

Tanto los remaches como los tornillos resultan de poco interés como elementos de conexión en el contexto de

este proyecto, dado el tipo de aplicaciones que se pretenden desarrollar, por lo que no se proporciona aquí

información adicional.

La información técnica recopilada y publicada para el diseño de conexiones ha estado orientada

principalmente para su utilización con materiales compuestos de alto desempeño, en los que suele utilizarse

boro, grafito o carbón como material de refuerzo. Sin embargo, el alto costo actual de estos materiales hace

poco factible su aplicación en el campo de la ingeniería civil en el mediano plazo. Igualmente, se ha

publicado información y desarrollado criterios de diseño para conexiones altamente especializadas, las cuales

son de interés solamente en sectores de alta tecnología, dentro de la industria aeroespacial o militar, por

ejemplo.

Por otra parte, la información cuantitativa para el diseño de conexiones en materiales compuestos de interés

en el campo de la ingeniería civil es mucho más limitada. Dicha información está fundamentalmente

orientada al diseño de conexiones en elementos constituidos por resinas termoestables, principalmente

poliéster, reforzadas con fibra de vidrio.

Tabla 5 Comparación de conectores mecánicos

Propiedad Pernos Remaches Tornillos

Respuesta ante carga dinámica

Buena excelente pobre

Facilidad de desensamble y reensamble

Buena pobre pobre

Resistencia ante carga axial en el conector

Buena buena pobre

Como ya se mencionó, el diseño de conexiones en las que los conectores estén sujetos a carga lateral debe

efectuarse de manera tal que la resistencia de la misma esté gobernada por la resistencia al aplastamiento del

laminado, la cual suele definirse como el esfuerzo promedio de aplastamiento cuando se tiene una

deformación de 4% en el diámetro del barreno. A fin de lograr que predomine la falla por aplastamiento, el

diseño de la conexión debe considerar ciertas distancias mínimas del barreno al borde y al extremo del

laminado, así como entre barrenos. Estas distancias mínimas por supuesto son función tanto del tipo de

material del laminado, como de la geometría del conector y del elemento que conecta. En la tabla 6 se

proporcionan, a manera de ilustración, valores de las relaciones entre distancias mínimas y diámetro del

conector, reportadas en la literatura y que corresponden a diversos tipos de plásticos reforzados con fibra de

vidrio. En ausencia de información particular al tipo de material que se pretenda conectar, suele utilizarse un

valor igual a 3.0 para las distancias mínimas al borde e igual a 5.0 para la distancia mínima entre barrenos.


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Tabla 6.4 Relación distancia mínima a diámetro de conector

Rango Usual

Distancia al borde extremo 2.0 a 4.5 3.0

Distancia al borde lateral 1.5 a 3.5 2.0

Distancia entre conectores 4.0 a 5.0 5.0

De lo descrito en los párrafos precedentes, puede notarse que aunque se dispone de suficiente información

cualitativa referente al comportamiento de conexiones mecánicas, así como de criterios de diseño de este tipo

de conexiones, es muy limitada la información cuantitativa para el diseño de conexiones de materiales que

resultan de interés dentro del campo de la ingeniería civil. Adicionalmente, los efectos de cargas dinámicas,

cargas de larga duración, así como la presencia de líneas múltiples de conectores en la resistencia de una

conexión no se conocen con suficiente detalle. Si se considera que no se dispone de planteamientos teóricos

que permitan extender el rango de aplicación de la información para diseño disponible, es necesario que el

diseño de nuevos tipos de conexiones sea validado mediante pruebas físicas antes de utilizarse en la

construcción de infraestructura.

GUÍAS DE DISEÑO

Como se comentó, parte de la información técnica para diseño consta de diversas guías elaboradas y

publicadas por los fabricantes, fundamentalmente con el propósito de fomentar el uso de sus productos. En el

caso de perfiles pultruidos, las guías de diseño generalmente tienen un formato tal que permiten la selección

de los perfiles más adecuados en función del tipo (básicamente tensión, compresión y flexión) y magnitud de

los elementos mecánicos que se deban soportar. Estos documentos proporcionan además recomendaciones

prácticas para el diseño de conexiones.

Aunque el diseño de un sistema estructural de importancia pueda requerir el uso de otras fuentes de

información, la que es proporcionada por los fabricantes puede resultar de utilidad con fines comparativos o

incluso ser suficiente en el caso de sistemas estructurales simples.

DIAGNÓSTICO Y DETECCIÓN DE ÁREAS DE OPORTUNIDAD

Una de las principales actividades del proyecto consistió en la realización de visitas de inspección a

instalaciones de transmisión y transformación de energía en diferentes zonas geográficas del país. Estas

visitas se efectuaron con el propósito fundamental de elaborar un diagnóstico de la problemática de deterioro

y operación de la infraestructura de obra civil de las instalaciones, a fin de contar con información relevante

para el planteamiento de alternativas de solución basadas en el uso de materiales compuestos. Las

instalaciones visitadas se seleccionaron con base en los tipos representativos de ambientes agresivos presentes

en las diferentes zonas del país, fundamentalmente por contaminación industrial y ambientes marinos. En términos generales, los principales problemas de deterioro observados fueron los siguientes:

Corrosión en perfiles estructurales

Corrosión de herrajes de sujeción de aisladores

Corrosión en interfase cimentación – estructura

Corrosión en conectores de hilo de guarda

Daño en pedestales de apoyo de equipos eléctricos

En lo referente a la problemática de operación, resaltó la necesidad de aprovechar las cualidades de los

materiales compuestos para hacer más eficiente la atención de emergencias originadas por eventos

meteorológicos extremos. En la figura 12 se muestran algunos de los problemas de deterioro que pueden

desarrollarse en este tipo de instalaciones.

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Figura 12 Problemas de deterioro en las instalaciones

DISEÑO, FABRICACIÓN Y PRUEBA DE APLICACIONES

De entre las posibles aplicaciones detectadas como resultado de las actividades de diagnóstico de la

problemática de deterioro y operación de la infraestructura de obra civil en el área de transmisión y

transformación de energía, se seleccionó iniciar con el diseño, fabricación y prueba de un pedestal para

soporte de equipo primario de subestaciones. Estas estructuras tienen la función de sostener equipos como

transformadores de corriente, interruptores y cuchillas, entre otros, manteniéndolos en una posición tal que no

se rebasen las distancias a tierra de los equipos. La información básica del equipo a soportar, consistente en

un transformador de corriente, fue la siguiente:

Transformador de corriente (TC)

Marca: BALTEAU

Tipo: TBV-245

Peso total: 13.87 kN (1415 kg)

Peso del aceite: 2.57 kN (262 kg)

Altura del aislador: 2.274 m

Diámetro exterior del aislador: 0.593 m

Altura total del transformador: 3.707 m

Se optó por utilizar un pedestal de celosía de ángulos de lados iguales. El arreglo general del conjunto equipo-

pedestal es como se muestra en la figura 13. El pedestal se diseñó con base en la normatividad aplicable a este

tipo de estructuras, incluyendo los efectos de peso propio, sismo y viento sobre el conjunto equipo-pedestal.

La selección de los perfiles se realizó con base en tablas de resistencia proporcionadas por el fabricante de los

perfiles, las cuales se obtienen con base en pruebas de resistencia. Dado que la conexión del pedestal a la

cimentación, así como la conexión del equipo con el pedestal constituyen puntos de concentración de

esfuerzos importantes, se optó por diseñar los elementos en esas conexiones con apoyo de modelaciones

numéricas mediante elemento finito. En la figura 14 se muestran algunas características de los modelos

generados, así como de los resultados obtenidos.


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Figura13 Arreglo general transformador-pedestal

Figura14 Modelación numérica de conexiones superior e inferior

Con el propósito de validar la metodología de análisis y diseño seguida, así como corroborar la información

para diseño proporcionada por el fabricante de los perfiles, se efectuó la fabricación y prueba de resistencia de

un prototipo del pedestal a escala natural. En la figura 15 se muestra el arreglo general de la prueba.

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Figura15 Arreglo general de la prueba de resistencia

En total se realizaron tres pruebas de resistencia, modificando en cada una el diseño de la conexión inferior

del pedestal. Una vez que se corroboró que el pedestal tenía la capacidad de soportar las cargas de diseño, el

mismo se llevó hasta la falla, con el propósito de verificar su factor de seguridad real.

El comportamiento exhibido por el prototipo durante la prueba de resistencia permitió obtener conclusiones

relevantes para los fines del proyecto. Entre las principales, se pueden mencionar:

1. La carga de compresión axial permisible en los elementos montantes, recomendada por el fabricante

de los perfiles, se tomó igual a 60 kN (6120 kg). Como esta carga permisible considera un factor de

seguridad igual a 2, se deduce que la carga última a compresión para estos elementos es igual a 2 x

60 kN = 120 kN (12240 kg). Aunque durante la prueba los montantes a compresión recibieron una

carga máxima igual a 107.6 kN (10970 kg) cada uno, si se toma en cuenta que durante la inspección

de estos elementos posterior a la prueba no se detectó en ellos ningún tipo de daño o efecto

desfavorable, puede concluirse que la resistencia para diseño recomendada en la guía utilizada está

bien sustentada. La importancia de lo anterior radica en la posibilidad de utilizar con mayor certeza

las resistencias permisibles recomendadas por el fabricante, al diseñar otro tipo de sistemas

estructurales en los que los elementos estarán sujetos principalmente a fuerzas axiales de tensión y

compresión.

2. El excelente comportamiento del material en las interfases tornillo-perfil de las conexiones permite

concluir que el número de barrenos, las distancias de los barrenos a los bordes, así como entre

barrenos, utilizadas en el detallado, fueron las adecuadas.

3. La utilización de elementos metálicos en la conexión inferior permitió incrementar drásticamente la

resistencia del prototipo, al evitar que dicha resistencia estuviera limitada por la falla de perfiles

pultruidos en esa conexión. Con lo anterior, se evidencia la importancia de utilizar elementos


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metálicos en conexiones con muy altas concentraciones de esfuerzos, en donde el material

polimérico puede exhibir un comportamiento menos favorable.

Además del desarrollo de esta primera aplicación, actualmente se está trabajando en otros desarrollos de

interés, entre los que se pueden mencionar el diseño, fabricación y prueba de un puente vehicular para ser

utilizado en condiciones de emergencia, así como de una parrilla de cimentación para ser utilizada en torres

de transmisión ubicadas en zonas con suelos altamente corrosivos. Algunas de las características del puente

vehicular son las siguientes:

Claro libre: 30 metros

Capacidad de carga: vehículo de 5 toneladas máximo

Modularidad: puede utilizarse para claros libres de 15 a 30 metros, mediante la adición de módulos

Ensamble: capacidad de ser ensamblado en sitio mediante el uso de herramienta ligera

Lanzamiento: capacidad de colocarse mediante helicóptero o lanzado desde una de las márgenes

COMENTARIOS FINALES Y CONCLUSIONES

Con base en los resultados parciales del proyecto, se plantean los comentarios y conclusiones siguientes:

La tecnología de los materiales compuestos no es nueva. Su desarrollo se inició formalmente a mediados del

siglo pasado, promovido principalmente por la aplicación de estos materiales dentro de la industria militar y

aeroespacial. Lo que sí resulta innovador hoy en día son las aplicaciones en el desarrollo de infraestructura de

obra civil, entre otras áreas.

Se calcula en varios miles los diferentes tipos de materiales compuestos hasta hoy desarrollados. Sus

propiedades físicas y mecánicas son función del tipo de resina, tipo y disposición del refuerzo, proceso de

fabricación y proporción entre resina y refuerzo. Lo anterior, permite disponer de materiales con las

propiedades deseadas, manipulando los parámetros anteriores. Las resinas de poliéster y viniléster, junto con

el refuerzo de fibra de vidrio, son los componentes utilizados con más frecuencia. El mercado de los

materiales compuestos se concentra principalmente en los Estados Unidos de Norteamérica y en los países de

la Unión Europea. América latina participa con solamente el 2% del mercado mundial, por lo que puede

considerarse que en países como el nuestro aun no se ha explorado suficientemente el potencial de uso de

estos materiales.

Entre las propiedades relevantes de los materiales compuestos se pueden mencionar su alta relación

resistencia/peso, larga vida útil libre de mantenimiento, facilidad de manejo, transporte y ensamble, no

susceptibles a la corrosión, no conductivos térmica o eléctricamente, así como su flexibilidad de formas. La

deficiencia de estos materiales por daño ante la radiación ultravioleta actualmente se ha superado con la

utilización de aditivos inhibidores dentro de la resina del material.

En contraste, la tecnología de los materiales compuestos para aplicaciones estructurales adolece de la falta de

códigos o guías de diseño de uso general emitidas por organismos reconocidos, por lo que la práctica del

diseño se basa en gran medida en recomendaciones dadas por los fabricantes. Esto ha constituido una de las

principales limitantes en el uso de este tipo de materiales. Además, pueden mencionarse la escasa experiencia

sobre su comportamiento como parte de sistemas estructurales y la poca o nula preparación de los diseñadores

en la utilización de materiales compuestos. En el caso particular de los materiales compuestos fabricados a

través del proceso de pultrusión, mediante el cual se elaboran los perfiles estructurales, aunque algunas de sus

propiedades son comparables a las del acero estructural, otras no son tan favorables, por lo que imponen

limitantes para su aplicación con fines estructurales, por ejemplo su bajo módulo de elasticidad y baja

resistencia a tensión en dirección ortogonal al eje longitudinal del perfil.

Actualmente hay un número importante de organizaciones industriales alrededor del mundo relacionadas

específicamente con la tecnología de los materiales compuestos. Las actividades de investigación en este

campo son también muy dinámicas, principalmente en los países desarrollados. Lo anterior permite prever

que el uso de estos materiales se incrementará de manera sostenida a mediano y largo plazo.

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El desarrollo de la primera aplicación propuesta, consistente en un pedestal para soporte de un transformador

de corriente, permitió comprobar que es factible técnicamente la utilización de materiales compuestos como

parte de sistemas estructurales de interés dentro del sector eléctrico. Los resultados de las pruebas de

resistencia efectuadas en el prototipo a escala natural, permitieron corroborar los valores de las resistencias

para diseño propuestas por el fabricante de los perfiles. La ausencia de daño en las interfaces tornillo-perfil de

las conexiones permite concluir que es posible lograr un buen comportamiento en estas interfases si el número

de barrenos, las distancias de los barrenos a los bordes, así como entre barrenos, se detallan adecuadamente.

Además, para zonas de muy alta concentración de esfuerzos, la utilización de sistemas híbridos, acero -

materiales compuestos, puede resultar la solución más adecuada.

La tecnología de los materiales compuestos se vislumbra como una alternativa con la capacidad de impactar

profundamente la práctica del diseño y construcción de infraestructura en el presente siglo, con un alto

potencial de aplicación competitiva en diferentes sectores, incluido el sector eléctrico. Al evaluar la

factibilidad del uso de los materiales compuestos, además de considerar los costos iniciales, se deberán tomar

en cuenta los costos de manejo, instalación y mantenimiento durante la vida útil del sistema. El incremento en

el uso de sistemas estructurales constituidos por elementos fabricados con materiales compuestos se

fomentará con la publicación de información concisa para el diseño de estos sistemas, la adquisición de

familiaridad de los diseñadores y constructores con los mismos, así como con la capacitación de estudiantes y

profesionistas en temas relacionados con el diseño y construcción a partir del uso de materiales compuestos.

La continuación y conclusión final del proyecto brindará información relevante respecto a la factibilidad de

aplicación de esta tecnología dentro del sector eléctrico y permitirá establecer las bases para la incorporación

sucesiva de estos materiales como parte de su infraestructura, a fin de aprovechar los beneficios de su uso.

REFERENCIAS

Anónimo (2002), “Los Materiales Compuestos Dinamismo e Innovación”, Le 4 Pages Des

Statistiques Industrielles, No. 158, Ministerio de Economía, Finanzas e Industria, Francia

Meyers V. J. (1977), “Mechanical Connections for Structural Plastics”, Journal of the Technical Councils

of ASCE, Vol. 103, No. TC1

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Documents

Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural · independiente y por vez primera, la resina de poliéster. En este mismo periodo, la empresa Owens-Illinois Glass Company inicio la