Comportamiento a flexión de arcos tubulares enrollados de PRF rellenados con hormigón y barras internas de PRF

Soportes de túnel más resistentes para condiciones subterráneas agresivas

Las ciudades modernas y los sistemas de transporte dependen cada vez más de túneles y espacios subterráneos, pero el hormigón y el acero que los sostienen pueden debilitarse silenciosamente con el tiempo. Los entornos subterráneos oscuros, húmedos y frecuentemente agresivos desde el punto de vista químico corroen el acero y dañan el hormigón, aumentando los costos de mantenimiento y los riesgos de seguridad. Este estudio explora un nuevo tipo de arco de sostén de túnel que sustituye el acero susceptible de oxidación por compuestos de fibra de vidrio y hormigón especialmente reforzado, con el objetivo de ofrecer resistencia duradera donde los materiales tradicionales presentan problemas.

Un nuevo tipo de arco protector

Los investigadores se centraron en soportes con forma de arco fabricados con tubos de polímero reforzado con fibra de vidrio (PRF) que se precurvan durante un proceso automatizado de manufactura. Estos tubos se rellenan posteriormente con un lechada de alta resistencia (un hormigón fino) y se refuerzan adicionalmente con finas barras internas de PRF que recorren el arco. Dado que el PRF no se oxida, esta combinación resulta especialmente atractiva para entornos subterráneos húmedos, ácidos o salinos, como túneles, alcantarillas y estructuras de protección. El equipo desarrolló un proceso industrial de bobinado por filamento capaz de producir estos tubos curvados con calidad constante, afrontando una barrera importante para el uso a gran escala de arcos compuestos.

Poniendo a prueba los arcos

Para entender el rendimiento de estos arcos compuestos, los autores construyeron y ensayaron 18 especímenes de arco con un tamaño y forma fijos pero con distintas configuraciones internas. Algunos arcos eran tubos huecos de PRF, otros estaban rellenos solo con lechada, y otros se rellenaron con lechada más cuatro barras internas de PRF. También se varió el espesor de la pared del tubo (3, 5 o 7 milímetros). Cada arco se fijó en ambos extremos y se cargó hacia abajo en la cabeza mediante una máquina de ensayos universal, una disposición elegida para generar una condición clara y severa de flexión en el claro medio. Durante la carga, el equipo registró las deflexiones, la aparición de grietas y cómo se desarrollaban las deformaciones alrededor de la curva, lo que les permitió seguir cómo cambiaban las fuerzas internas a medida que se acumulaba el daño.

Cómo afectan el espesor y las barras internas al comportamiento

Los experimentos mostraron que simplemente aumentar el espesor del tubo de PRF incrementó de forma significativa la carga que los arcos podían soportar antes de fallar. Tanto en arcos huecos como en arcos rellenos de hormigón, pasar del tubo más delgado al más grueso casi duplicó la capacidad última, y los tubos más gruesos también hicieron los arcos más rígidos en la etapa inicial elástica. Rellenar los tubos con hormigón aportó otro aumento notable en resistencia y en absorción de energía. Sin embargo, el mayor salto se logró añadiendo las barras internas de PRF: en comparación con tubos huecos, los arcos con hormigón y barras soportaron aproximadamente entre dos veces y media y casi cuatro veces más carga y pudieron experimentar más del doble de deformación antes de perder capacidad. Los cálculos sugieren que las barras, aunque ocupan solo una fracción pequeña de la sección, proporcionan aproximadamente la mitad de la capacidad portante total, mientras que el hormigón contribuye con una porción constante y el tubo resiste la tracción y confina el hormigón en compresión.

De los datos experimentales al diseño predictivo

Además de los ensayos, los autores desarrollaron un modelo de cálculo simplificado para estimar la carga que un arco de este tipo puede soportar bajo una fuerza concentrada en su clave. Trataron el arco como una estructura con extremos empotrados que termina formando cuatro regiones de “hinge” plásticas donde la flexión es más severa. Convertiendo la sección tubular curva en un rectángulo equivalente y usando fórmulas establecidas para hormigón confinado y PRF en tracción, derivaron la resistencia a la flexión en estas articulaciones y, a partir de ella, la carga última global. Al comparar estas predicciones con los resultados experimentales de los arcos que contenían barras internas, las diferencias rondaron el 10% aproximadamente, lo que sugiere que el modelo captura el comportamiento esencial para esta forma de arco y esta condición de carga específicas.

Qué significa esto para las futuras estructuras subterráneas

En términos sencillos, el estudio demuestra que los arcos de PRF rellenos de hormigón con barras internas de fibra pueden ser tanto más resistentes como más tolerantes que los arcos convencionales de hormigón, a la vez que resisten la corrosión que afecta al acero. La combinación de un tubo compuesto producido industrialmente, un núcleo de hormigón confinado y barras internas de alta resistencia genera soportes capaces de sostener grandes cargas y deformarse sin colapso repentino. Aunque las reglas de diseño actuales están validadas solo para arcos similares a los ensayados, los hallazgos apuntan hacia una nueva familia de revestimientos y arcos protectores ligeros y duraderos que podrían hacer la infraestructura subterránea más segura y de mayor duración con menos mantenimiento.

Cita: Li, B., Yang, Z., Qi, Y. et al. Bending behavior of concrete-filled FRP wound tubular arches with internal FRP bars. Sci Rep 16, 7876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38886-w

Palabras clave: soporte de túnel, polímero reforzado con fibra, arcos de hormigón, resistencia a la corrosión, estructuras subterráneas