Análisis de los modelos de comportamiento de vigas de hormigón armado reforzadas a cortante con polímeros armados con fibras (frp). Validación y calibración experimental

Los polímeros armados con fibras (FRP) se utilizan en refuerzos de estructuras de hormigón debido sobre todo a sus excelentes propiedades mecánicas, su resistencia a la corrosión y a su ligereza que se traduce en facilidad y ahorro en el transporte, puesta en obra y aplicación, la cual se realiza de forma muy rápida, con pocos operarios y utilizando medios auxiliares ligeros, minimizándose las interrupciones del uso de la estructura y las molestias a los usuarios. Las razones presentadas anteriormente, han despertado un gran inter´es por parte de diferentes grupos de investigación a nivel mundial y que actualmente se encuentran desarrollando nuevas técnicas de aplicación y métodos de cálculo. Sin embargo, las investigaciones realizadas hasta la fecha, muestran un procedimiento bien definido y aceptado en lo referente al cálculo a flexión, lo cual no ocurre con el refuerzo a cortante y aunque se ha demostrado que el refuerzo con FRP es un sistema eficaz para incrementar la capacidad ´ultima frente a esfuerzos cortantes, también se pone de manifiesto la necesidad de más estudios experimentales y teóricos para avanzar en el entendimiento de los mecanismos involucrados para este tipo de refuerzo y establecer un procedimiento de diseño apropiado que maximice las excelentes propiedades de este material. Los modelos que explican el comportamiento del refuerzo a cortante de elementos de hormigón armado son complejos y sin transposición directa a fórmulas ingenieriles. Las normas actualmente en vigor, generalmente, establecen empíricamente la capacidad cortante como la suma de las capacidades del hormigón y el refuerzo transversal de acero. Cuando un elemento es reforzado externamente con FRP, los modelos son evidentemente aun más complejos. Las guías y recomendaciones existentes proponen calcular la capacidad del elemento añadiendo la resistencia aportada por el refuerzo externo de FRP a la ya dada por el hormigón y acero transversal. Sin embargo, la idoneidad de este acercamiento es cuestionable puesto que no tiene en cuenta una posible interacción entre refuerzos. Con base en lo anterior se da origen al tema objeto de este trabajo, el cual está orientado al estudio a cortante de elementos de hormigón armado (HA), reforzados externamente con material compuesto de tejido unidireccional de fibra de carbono y resina epoxi. Inicialmente se hace una completa revisión del estado actual del conocimiento de la resistencia a cortante en elementos de hormigón armado con y sin refuerzo externo de FRP, prestando especial atención en los mecanismos actuantes estudiados hasta la fecha. La bibliografía consultada ha sido exhaustiva y actualizada lo que ha permitido el estudio de los modelos propuestos más importantes, tanto para la descripción del fenómeno de adherencia entre hormigón-FRP como de la valoración del aporte al cortante total hecho por el FRP, a través de sendas bases de datos de ensayos de pull-out y de vigas de hormigón armado ensayadas a cortante. Con base en todo lo anterior, se expusieron los mecanismos actuantes en el aporte a cortante hecho por el FRP en elementos de hormigón armado y la forma como las principales guías de cálculo existentes hasta la fecha los abordan. De igual forma se define un modelo de resistencia de esfuerzos para el FRP y se proponen dos modelos para el cálculo de las tensiones o deformaciones efectivas, de los cuales uno esta basado en el modelo de adherencia propuesto por Oller (2005) y el otro en una regresión multivariante para los mecanismos expuestos. Como complemento del estudio de los trabajos encontrados en la literatura, se lleva acabo un programa experimental que, además de aportar más registros a la exigua base de datos existentes, aporte mayor luz a los puntos que se consideran están deficientemente resueltos. Dentro de este programa se realizaron 32 ensayos sobre 16 vigas de 4.5 m de longitud (dos ensayos por viga), reforzadas a cortante con tejido unidireccional de CFRP. Finalmente, estos estudios han permitido proponer modificaciones a las formulaciones existentes en los códigos y guías en vigor. Abstract Its excellent mechanical properties, as well as its corrosion resistance and light weight, which make it easy to apply and inexpensive to ship to the worksite, are the basis of the extended use of fiber reinforced polymer (FRP) as external strengthening for structures. FRP strengthening is a rapid operation calling for only limited labor and lightweight ancillary equipment, all of which minimizes both the interruption of facility usage and user inconvenience. These advantages have aroused considerable interest in civil engineering science and technology and have led to countless applications the world over. Research studies on the shear strength of FRP-strengthened members have been much fewer in number and more controversial than the research on flexural strengthening, for which a more or less standardized and generally accepted procedure has been established. The research conducted and a host of applications around the world have shown that FRP strengthening is an effective technique for raising ultimate shear strength, but it has also revealed a need for further experimental and theoretical research to advance in the understanding of the mechanisms involved and establish suitable design procedures that optimize the excellent properties of this material The models that explain reinforced concrete (RC) shear strength behavior are complex and cannot be directly transposed to engineering formulas. The standards presently in place generally establish shear capacity empirically as the sum of the capacities of the concrete and the passive reinforcement. When members are externally strengthened with FRP, the models are obviously even more complex. The existing guides and recommendations propose calculating capacity by adding the external strength provided by the FRP to the contributions of the concrete and passive reinforcement. The suitability of this approach is questionable, however, because it fails to consider the interaction between passive reinforcement and external strengthening. The subject of this work is based in above, which is focused on externally shear strengthening for reinforced concrete members with unidirectional carbon fiber sheets bonded with epoxy resin. v Initially a thorough literature review on shear of reinforced concrete beams with and without external FRP strengthening was performed, paying special attention to the acting mechanisms studied to date, which allowed the study of the most important models both to describe the bond phenomenon as well as calculating the FRP shear contribution, through separate databases of pull-out tests and shear tests on reinforced concrete beams externally strengthened with FRP. Based on above, they were exposed the acting mechanisms in a FRP shear strengthening on reinforced concrete beams and how guidelines deal the topic. The same way, it is defined a FRP stress strength model and two more models are proposed for calculating the effective stress, one of these is based on the Oller (2005) bond model and another one is the data best fit, taking into account most of the acting mechanisms. To complement the theoretical part we develop an experimental program that, in addition to providing more records to the meager existing database provide greater understanding to the points considered poorly resolved. The test program included 32 tests of 16 beams (2 per beam) of 4.5 m long, shear strengthened with FRP, externally. Finally, modifications to the existing codes and guidelines are proposed.

Estudio de la redistribución tensional en la interfase frp-hormigón

El uso de materiales compuestos para el refuerzo, reparación y rehabilitación de estructuras de hormigón se ha convertido en una técnica muy utilizada en la última década. Con independencia de la técnica del refuerzo, uno de los principales condicionantes del diseño es el fallo de la adherencia entre el hormigón y el material compuesto, atribuida generalmente a las tensiones en la interfaz de estos materiales. Las propiedades mecánicas del hormigón y de los materiales compuestos son muy distintas. Los materiales compuestos comúnmente utilizados en ingeniería civil poseen alta resistencia a tracción y tienen un comportamiento elástico y lineal hasta la rotura, lo cual, en contraste con el ampliamente conocido comportamiento del hormigón, genera una clara incompatibilidad para soportar esfuerzos de forma conjunta. Esta incompatibilidad conduce a fallos relacionados con el despegue del material compuesto del sustrato de hormigón. En vigas de hormigón reforzadas a flexión o a cortante, el despegue del material compuesto es un fenómeno que frecuentemente condiciona la capacidad portante del elemento. Existen dos zonas potenciales de iniciación del despegue: los extremos y la zona entre fisuras de flexión o de flexión-cortante. En el primer caso, la experiencia a través de los últimos años ha demostrado que se puede evitar prolongando el refuerzo hasta los apoyos o mediante el empleo de algún sistema de anclaje. Sin embargo, las recomendaciones para evitar el segundo caso de despegue aún se encuentran lejos de poder prever el fallo de forma eficiente. La necesidad de medir la adherencia experimentalmente de materiales FRP adheridos al hormigón ha dado lugar a desarrollar diversos métodos por la comunidad de investigadores. De estas campañas experimentales surgieron modelos para el pronóstico de la resistencia de adherencia, longitud efectiva y relación tensión-deslizamiento. En la presente tesis se propone un ensayo de beam-test, similar al utilizado para medir la adherencia de barras de acero, para determinar las características de adherencia del FRP al variar la resistencia del hormigón y el espesor del adhesivo. A la vista de los resultados, se considera que este ensayo puede ser utilizado para investigar diferentes tipos de adhesivos y otros métodos de aplicación, dado que representa con mayor realidad el comportamiento en vigas reforzadas. Los resultados experimentales se trasladan a la comprobación del fallo por despegue en la región de fisuras de flexión o flexión cortante en vigas de hormigón presentando buena concordancia. Los resultados condujeron a la propuesta de que la limitación de la deformación constituye una alternativa simple y eficiente para prever el citado modo de fallo. Con base en las vigas analizadas, se propone una nueva expresión para el cálculo de la limitación de la deformación del laminado y se lleva a cabo una comparación entre los modelos existentes mediante un análisis estadístico para evaluar su precisión. Abstract The use of composite materials for strengthening, repairing or rehabilitating concrete structures has become more and more popular in the last ten years. Irrespective of the type of strengthening used, design is conditioned, among others, by concrete-composite bond failure, normally attributed to stresses at the interface between these two materials. The mechanical properties of concrete and composite materials are very different. Composite materials commonly used in civil engineering possess high tensile strength (both static and long term) and they are linear elastic to failure, which, in contrast to the widely known behavior of concrete, there is a clear incompatibility which leads to bond-related failures. Bond failure in the composite material in bending- or shear-strengthened beams often controls bearing capacity of the strengthened member. Debonding failure of RC beams strengthened in bending by externally-bonded composite laminates takes place either, at the end (plate end debonding) or at flexure or flexure-shear cracks (intermediate crack debonding). In the first case, the experience over the past years has shown that this can be avoided by extending laminates up to the supports or by using an anchoring system. However, recommendations for the second case are still considered far from predicting failure efficiently. The need to experimentally measure FRP bonding to concrete has induced the scientific community to develop test methods for that purpose. Experimental campaigns, in turn, have given rise to models for predicting bond strength, effective length and the stress-slip relationship. The beam-type test proposed and used in this thesis to determine the bonding characteristics of FRP at varying concrete strengths and adhesive thicknesses was similar to the test used for measuring steel reinforcement to concrete bonding conditions. In light of the findings, this test was deemed to be usable to study different types of adhesives and application methods, since it reflects the behavior of FRP in strengthened beams more accurately than the procedures presently in place. Experimental results are transferred to the verification of peeling-off at flexure or flexure-shear cracks, presenting a good general agreement. Findings led to the conclusion that the strain limitation of laminate produces accurate predictions of intermediate crack debonding. A new model for strain limitation is proposed. Finally, a comprehensive evaluation based on a statistical analysis among existing models is carried out in order to assess their accuracy.

Steel profiles for repairing deteriorated timber beam ends

Se describe un procedimiento para la consolidación de viguetas de forjado de madera con deterioro en las cabezas mediante perfiles de acero conectados a la madera desde la cara superior del forjado. La pieza de refuerzo es un perfil en U de acero S275 conformado en frío con pletinas soldadas insertadas en la madera y conectada mediante tirafondos. Se ensayaron 30 piezas a flexión obteniendo la rigidez y la capacidad de carga. Las probetas se dividieron en tres grupos. El primero compuesto por 10 piezas de madera laminada encolada de abeto con una sección de 180 x 200 mm y una longitud de 4.000 mm; el segundo consistía en 10 piezas de madera aserrada de pino silvestre con la misma sección y longitud y, el tercero, estaba formado por otras 10 piezas de madera del género Pinus con una sección de 130 x 150 mm y 3.000 mm de longitud, procedentes de un edificio de Madrid con 120 años de antigüedad. Cada grupo de 10 piezas se dividió a su vez en dos grupos de 5 piezas. El primer subgrupo estaba formado por las piezas completas de madera y constituía el grupo de referencia. Las piezas del segundo subgrupo tenían una longitud inferior que se salvaba con una extensión del refuerzo metálico. Los resultados indican que el sistema de refuerzo metálico permite resolver los problemas de falta de apoyo de la vigueta por deterioro de la madera que afecte en una longitud limitada (aproximadamente entre el 10 y el 20% de la longitud).

Modelos de elementos finitos con aplicación tridimensional de la analogía fluido-fibra, para predecir el comportamiento mecánico de piezas estructurales de madera bajo la presencia de los principales tipos de nudos

Los nudos son los defectos que más disminuyen la resistencia de piezas de madera en la escala estructural, al ocasionar no solo una discontinuidad material, sino también la desviación de las fibras que se encuentran a su alrededor. En la década de los 80 se introdujo la teoría de la analogía fluido-fibra, como un método que aproximaba adecuadamente todas estas desviaciones. Sin embargo en su aplicación tridimensional, nunca se consideraron las diferencias geométricas en el sentido perpendicular al eje longitudinal de las piezas estructurales, lo cual imposibilitaba la simulación numérica de algunos de los principales tipos de nudos, y disminuía la precisión obtenida en aquellos nudos en los que la modelización sí era viable. En este trabajo se propone un modelo programado en lenguaje paramétrico de un software de elementos finitos que, bajo una formulación en tres dimensiones más general, permitirá estudiar de forma automatizada el comportamiento estructural de la madera bajo la influencia de los principales tipos de nudos, a partir de la geometría visible de los mismos y la posición de la médula en la pieza, y el cual ha sido contrastado experimentalmente, simulando de forma muy precisa el comportamiento mecánico de vigas sometidas a ensayos de flexión a cuatro puntos. Knots are the defects that most reduce the strength of lumber at the structural level, by causing not only a material discontinuity but also the deviation of the fibers that surround them. In the 80's it was introduced the theory of the flow-grain analogy as a method to approximating adequately these deviations. However, in three-dimensional applications, geometrical differences in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the structural specimens were never considered before, which prevented the numerical simulation of some of the main types of knots, and decreased the achieved precision in those kind of knots where modeling itself was possible. This paper purposes a parametric model programmed in a finite element software, in the way that with a more general three-dimensional formulation, an automated study of the structural behavior of timber under the influence of the main types of knots is allowed by only knowing the visible geometry of such defects, and the position of the pith. Furthermore that has been confirmed experimentally obtaining very accurately simulations of the mechanical behavior of beams under four points bending test.

Caracterización de la madera de Castanea sativa Mill. de procedencia española

La madera de castaño de procedencia española no está presente como material estructural en la norma europea EN 1912, y por lo tanto no está asignada a ninguna clase resistente como sí lo están otras especies españolas. Por ello, en el presente trabajo se realizó una caracterización de madera aserrada de castaño de Asturias con fines estructurales, realizando los ensayos según la norma UNE EN 408:2004, y calculando sus valores característicos según la norma UNE EN 384:2010. Los valores obtenidos permitieron asignar una clase resistente de las establecidas en la norma UNE EN 338:2010. Fueron evaluadas un total de 260 probetas de dos secciones (40x100 y 40x150 mm) siendo asignada una clase resistente D24, resultando la densidad y la resistencia a flexión los parámetros limitantes y observándose un valor de módulo de elasticidad superior al correspondiente a dicha clase. La relación entre los módulo de elasticidad longitudinal y transversal obtenidos experimentalmente fue de 10 aproximadamente, mientras que la normativa establece, como valor genérico, 16. Se observó que la singularidad de la madera que provocó un mayor porcentaje de rotura fue la presencia de nudos, presentando estas probetas un valor de resistencia significativamente menor. Chestnut timber from Spain is not included as a structural timber in the European standard EN 1912 nor is it assigned to any strength class like other Spanish species. Therefore, a characterization of structural chestnut timber from Asturias was made according to the UNE EN 408:2004, and the characteristic values were calculated according to the UNE EN 384:2010. The values obtained allowed the assignment of a strength class according to UNE EN 338:2010. 260 samples of two sections (40x100 and 40x150 mm) were tested and a D24 strength class was assinged. Density and bending strength were the limiting parameters, and the value of modulus of elasticity was higher than the values asssigned to D24. The relationship between modulus of elasticity and the shear modulus obtained was approximately equal to 10, while this value in the UNE EN 384:2010 is set at 16. The characteristic of the wood which caused a higher percentage of failure was the presence of knots, resulting in significantly lower resistance values.

Evaluación del comportamiento estructural y de resistencia a la corrosión de armaduras de acero inoxidable austenítico AISI 304 y dúplex AISI 2304

Se ha evaluado el comportamiento mecánico y estructural de dos aceros inoxidables corrugados, el austenítico EN 1.4301 (AISI 304) y el dúplex EN 1.4362 (AISI 2304), y se han comparado con el tradicional acero al carbono B500SD. El estudio se ha realizado en tres niveles: a nivel de barra, estudiando las propiedades mecánicas y de ductilidad de los tres aceros; a nivel de sección, analizando el comportamiento a flexión por medio de diagramas momento-curvatura; y a nivel de pieza, ensayando una serie de vigas armadas con diferentes aceros y cuantías, y comprobando su comportamiento por medio de los diagramas carga-desplazamiento. La comparación del comportamiento frente a la corrosión entre los dos aceros inoxidables se ha realizado mediante mediciones electroquímicas de armaduras embebidas en probetas de mortero contaminado con diferentes cuantías de cloruros

Evaluación del comportamiento de la interfase FRP-Hormigón en vigas de hormigón reforzadas con materiales compuestos

En el presente documento se analiza el uso de ensayos beam-test, análogos a los empleados comúnmente para medir la adherencia de barras, en el estudio de la adherencia FRP-Hormigón. Los resultados se trasladan a la comprobación del despegue en la zona entre fisuras de flexión en vigas de hormigón reforzadas con materiales compuestos de propiedades mecánicas similares. Finalmente se presenta una comparación con los modelos más relevantes de la literatura especializada.

Nuevos Materiales de Base Yeso con Incorporación de Residuos de Caucho: Caracterización Físico-Mecánica

El objetivo de este trabajo es contribuir a la valorización del residuo de caucho sintético que proviene de coquillas aislantes de tuberías, estudiando su comportamiento formando parte del material compuesto escayola-caucho. Para ello se ha elaborado un plan experimental que permite evaluar su idoneidad como material de construcción, caracterizando el nuevo compuesto desde el punto de vista físico-mecánico; peso desecado, dureza Shore C, resistencia a flexión y resistencia a compresión. Se han estudiado cuatro granulometrías de residuo de caucho, 1-2 mm, 2-4 mm, 4-6 mm y 20-25 mm y distintos porcentajes de incorporación a la escayola, 1,25%; 2,50%; 5,00% y 7,50%, con una relación de agua/escayola de 0,76. Los resultados de los ensayos muestran que a pesar de que las resistencias mecánicas disminuyen con la incorporación del caucho, se obtiene un material de baja densidad, existiendo buena compatibilidad entre el residuo de caucho y la matriz de escayola, distribuyéndose los granos de caucho uniformemente en las probetas.

Análisis estructural de algunas obras de Félix Candela mediante modelos de Elementos Finitos

Por su facilidad constructiva y la relativa sencillez de su análisis estructural, el paraboloide hiperbólico de hormigón armado es una forma profusamente utilizada por el arquitecto Félix Candela (1910-1997). En este artículo se analiza el comportamiento de varias de esas obras. Concretamente dos paralelogramos alabeados [1], el restaurante Los Manantiales (México) y la Iglesia de Guadalupe (Madrid). Se explica la geometría del paraboloide hiperbólico y se describe brevemente el análisis estructural presentado por Félix Candela. Los resultados presentados posteriormente confirman la distribución de esfuerzos descrita por Candela. En todos los casos estudiados las tensiones resultan ser admisibles para el hormigón. Se ha verificado también el comportamiento de membrana de las estructuras mediante un factor cuyo valor oscila entre 0 (flexión pura) y 1 (membrana pura). El comportamiento se aleja o acerca al de membrana pura en función de las condiciones de apoyo como ya recalcó el arquitecto madrileño

Clasificación visual estructural de la madera de pino radiata procedente de Cataluña

Se han clasificado visualmente, según la norma española UNE 56544; 150 piezas de madera aserrada de pino radiata procedentes de Cataluña (España) con una sección de 80x150 mm y una longitud de 2.500 mm. Esta norma establece dos calidades visuales (ME-1 y ME-2) para piezas con grueso menor o igual que 70 mm y una única calidad visual (MEG) para gruesos mayores de 70 mm. Con el fin de conocer el efecto frontera entre la pequeña y la gran escuadría se clasificaron las piezas según ambas categorías. Se determinó la tensión de rotura en flexión, el módulo de elasticidad en flexión y la densidad de cada pieza mediante el ensayo de acuerdo con la norma UNE-EN 408 siguiendo los ajustes definidos en la norma UNE-EN 384. Un 53 % de las piezas se clasificaron como MEG con una resistencia característica a flexión de 28 N/mm2 y un valor medio del módulo de elasticidad de 9.900 N/mm2. Por otra, un 42 % de las piezas se clasificaron como ME-2 y sólo un 3 % como ME-1; en este caso las propiedades mecánicas de la calidad ME-2 no se alejan mucho de las de la calidad MEG. El elevado porcentaje de piezas rechazadas (47 % frente a la MEG) se debe principalmente al defecto de alabeo responsable de un 39 % de rechazo. Si no se considera el alabeo en la clasificación el porcentaje de rechazo desciende al 17 % y las propiedades mecánicas de la calidad MEG presentan un valor característico de resistencia a flexión de 21 N/mm2 y un módulo de elasticidad de 9.100 N/mm2. A sample of 150 pieces of radiata pine sawn timber with 180x120 mm in cross-section and 2.500 mm in length sourcing from Catalonia (Spain) were visually graded according to Spanish standard UNE 56544. This standard establish two visual grades (ME-1 and ME-2) for timber pieces with thickness equal or less than 70 mm, and one grade (MEG) for thickness bigger than 70 mm. In order to know the border effect between small and larger cross-section the pieces were graded in both categories. The modulus of rupture, modulus of elasticity and density were obtained by test according to EN 408 standard and the adjustments of EN 384. A 53 % of pieces were classified as MEG with a characteristic bending strength of 28 N/mm2 and a mean value of MOE of 9.900 N/mm2. On the other hand, a 42 % of pieces were classified as ME-2 and only a 3 % as ME-1; in this case the mechanical properties of ME-2 are not far from MEG properties. The high percentage of rejected pieces (47 % vs MEG) is mainly due to the twist defect with a 39 % of rejected pieces. If twist is not considered in the grading process the reject percentage decreases to 17 % and the mechanical properties of MEG grade present a characteristic value of bending strength of 21 N/mm2 and a MOE of 9.100 N/mm2.

Ajuste y fiabilidad en la evaluación de modelos en ingeniería estructural

En el campo de la ingeniería estructural como en otras ramas, es necesaria la calibración de modelos mediante soporte experimental debido a la complejidad que encierra el fenómeno que se intenta predecir. Las campañas experimentales llevadas a cabo por la comunidad científica a través de los años proporcionan información valiosa que puede ser empleada para la calibración y selección de modelos así como para la consolidación de modelos existentes. En el último caso, las técnicas empleadas para tal finalidad son fundamentalmente distintas a las de la selección de modelos (modelos ajustados con información experimental en común). Los códigos estructurales incluyen modelos de muy variado tipo que han ido consolidándose con la práctica. Con gran frecuencia sucede que tales modelos son diferentes en los referidos códigos aun cuando aborden el mismo objetivo. Tales diferencias son lógicas pues esos modelos no deben entenderse sino como elementos de un sistema más amplio de fiabilidad estructural que incluye todos los modelos utilizados así como el formato de seguridad establecido en cada uno de ellos. En el presente trabajo se realiza una comparación exhaustiva de modelos, empleando diferentes técnicas que permiten identificar patrones de comportamiento de los mismos. La metodología permite no sólo obtener una medida del ajuste y del poder predictivo de los modelos sino también del grado de conservadurismo. Los modelos analizados están relacionados con el fallo de vigas de hormigón reforzadas a flexión con materiales compuestos. La capacidad portante de estos elementos estructurales está frecuentemente condicionada por el despegue del refuerzo, el cual puede tener origen bien el extremo o en la zona de fisura de flexión o flexión-cortante.

Estudio del comportamiento de secciones mixtas de hormigón-mortero de reparación bajo solicitaciones normales.

Cada día son más frecuentes en la edificación las situaciones en que resulta necesario intervenir sobre una estructura existente. El hormigón ha demostrado tener prestaciones mecánicas muy amplias y una durabilidad adecuada para los usos a los que se destina. La durabilidad se puede ver afectada ya que el hormigón es permeable a líquidos y gases. Un problema habitual en nuestro entorno geográfico, y en general en las zonas costeras, es el deterioro prematuro que presentan las estructuras de hormigón armado debido principalmente a la corrosión de las armaduras, ya sea por carbonatación del hormigón o, sobre todo, por penetración de cloruros. En este trabajo se han sometido a compresión probetas mixtas de hormigón y morteros tradicionales o de reparación variando las proporciones de mortero. Los ensayos se han realizado colocando los materiales en serie y en paralelo. En trabajos previos se han ensayado a flexión hasta rotura 4 vigas de hormigón armadas con distintas cuantías y distintos tipos de acero. Las 4 vigas se han reparado con dos materiales distintos: un mortero de cemento tradicional y un mortero de reparación de base orgánica. De nuevo las vigas se han ensayado hasta rotura mediante ensayos de flexión controlando la carrera. Los resultados de los ensayos muestran que las vigas reparadas son capaces de alcanzar las cargas de rotura de las vigas iniciales, e incluso mayores. Además, la ductilidad de las vigas reparadas con mortero de reparación es superior a la de las vigas reparadas con mortero de cemento y a la de las vigas en su estado inicial. Las fisuras que aparecen tras el ensayo a flexión son un 80% superiores a las originales tanto en las vigas armadas inicialmente con 2 Ø 18 como en las del 16. Por lo que respecta a las probetas, los resultados muestran que las de hormigón y mortero de cemento no llegan a alcanzar las cargas del mortero o del hormigón y sin embargo son más dúctiles. Las probetas con hormigón y mortero de reparación son generalmente más dúctiles que las de hormigón o mortero de reparación y alcanzan cargas de rotura que se encuentran entre las del hormigón y el mortero de reparación. Estos resultados permiten identificar que las probetas de mortero de reparación alcanzan un 23% más de resistencia que las de mortero de cemento Portland.

Incorporación de residuos mineros a materiales de construcción.

El presente Trabajo Fin de Máster recoge el estudio experimental realizado para comprobar el comportamiento de CEM II/B-L 32,5 N con la incorporación, por sustitución del árido, de dos residuos procedentes de la explotación minera de la hulla y la galena, llevada a cabo hace más de 50 años en la provincia de Ciudad Real. En primer lugar se han caracterizado los compuestos minerales que tienen los residuos de los que se ha obtenido que en ambas muestras existen SiO2 (cuarzo) en altas propociones, y que la muestra de galena tiene pequeñas concentraciones de plomo y cinc, entre otros metales. En la parte experimental se realiza la incorporación de un 5%, 10% y 20% de cada uno de los residuos por sustitución de la arena de mina utilizada, con una granulometría inferior a 2 mm de diámetro y a temperatura ambiente. Mediante la realización de las probetas con dos consistencias diferentes, una seca y otra plástica para la realización de un revoco en una rasilla cerámica y comprobar su resistencia a adhesión. Después de comprobar que para utilizar el residuo de hulla hay que desprenderse del 39% de la muestra por superar los 2mm de diámetro de grano para realizar un revoco como marca la norma NTE-rpe, se comprueba que las muestras con 5% de hulla y 10% de galena son válidas para su utilización como revoco o enlucido. Respecto a las características de resistencia a flexión y compresión de ambas muestras se aprecia la tendencia en la muestra de hulla a disminuir cuanto mayor es el porcentaje de éste residuo. En el caso del residuo de galena los resultados más óptimos obtenidos han sido con el 10% de galena en la muestra, notándose una disminución de las características considerables en el 20% de la misma.

Amplificador de señal analógico basado en conceptos biomiméticos. Desarrollo de modelos computacionales y validación experimental

La presente tesis doctoral estudia las características de un transductor acústico bioinspirado en la estructura del maxilar inferior de un Zifio de Couvier (Ziphius cavirostris). El mecanismo de funcionamiento del sensor se basa en las características de un sistema acoplado formado por los distintos componentes acústicos identificados en el maxilar. Para analizar las características del sensor se propone un modelo simplificado 2D que consta de una cavidad cerrada con forma de bocina acoplada a una lengüeta. Una parte de la lengüeta se encuentra dentro de la cavidad y otra en el exterior. Dicha lengüeta detecta los cambios de presión acústica y las vibraciones generadas por el sonido y las transmite con ondas de flexión al interior de la cavidad. La excitación prolongada sobre la placa puede provocar la activación de los modos propios del sistema acoplado. Dichos modos se caracterizan porque presentan un máximo de presión en el cono de la bocina la cual a su vez actúa como un amplificador acústico. Mediante el Método de los elementos Finitos se analizan las características acústicas del sensor y se construye un prototipo experimental para validar los resultados evaluados en el modelo numérico. Se propone una metodología numérica que permite desarrollar y validar un elemento tetraédrico para caracterizar el comportamiento isotrópico de los medios porosos. La metodología permite construir elementos de línea y bidimensionales. A partir de esta metodología se desarrolla un elemento plano ortotrópico. Se realiza un modelo de la cavidad en el que una de las paredes de la bocina está constituida por material poroso y se une la parte exterior de la lengüeta a dicho material para que constituya una viga sobre un apoyo elástico. Se calcula la respuesta modal y se discuten los efectos del material poroso en la eficiencia del transductor y las posibles mejoras a introducir en el mismo. SUMMARY This Thesis studies the characteristics of an acoustic transducer bioinspired by the structure of the lower maxilla of an odontoceto. In this case a Cuvier’s beaked whale (Ziphius cavirostris). The transducer working mechanism is based in a coupled system, with components identified in the maxilla. To analyze the transducer a simplified 2D model composed by a horn shaped closed cavity is modeled. The cavity is coupled with a flat belt. The belt has one part inside the cavity and the other part outside of it. The belt traverses the cavity wall and it is in charge to pick the vibrations from outside and introduce it inside the cavity. The transmission is obtained through the belt bending. A sustained external load with the right frequency contents will allow the system to reach a stationary pressure intensity distribution inside the cavity. Frequencies with modal shapes that show an important intensity increase at the horn tip are of special interest because of the signal amplification. A finite element model is constructed to study the transducer coupled modes and a prototype is constructed to validate the numerical results. A numerical methodology to construct and validate a tetrahedral finite element for isotropic porous materials is presented. The methodology allows constructing linear and 2D elements. It is extended to model orthotropic porous materials behavior. At the end, one of the horn walls is made of an orthotropic material and the external belt is glued to it in order to configure a belt over an elastic foundation. Modal response is evaluated and the porous material effects in the transducer efficiency and further improvements are discussed.

Evaluación del comportamiento mecánico, estructural y frente a la corrosión, de una nueva armadura de acero inoxidable dúplex bajo en níquel

La durabilidad de las estructuras de hormigón armado no es ilimitada, en especial en determinados ambientes. El ingreso de agentes agresivos en el hormigón, fundamentalmente dióxido de carbono e iones cloruros, rebasando el espesor del recubrimiento y alcanzando las armaduras, reducen el alto pH del hormigón hasta alcanzar un umbral crítico, por debajo del cual, el acero queda despasivado. Posteriormente, si existe el suficiente aporte de humedad y oxígeno, el acero se corroe, lo que supone drásticas reducciones de la vida de servicio de estas estructuras y su inevitable reparación. La utilización de armaduras de acero inoxidable es una alternativa que está recibiendo cada vez más consideración. Su resistencia a la corrosión en los ambientes más agresivos, incluso con ataque de cloruros, lo convierte en el material idóneo para prolongar de forma muy considerable la vida útil de la estructura. En este trabajo se ha evaluado el comportamiento mecánico y estructural, y de resistencia a la corrosión, de un nuevo acero inoxidable dúplex de bajo contenido en níquel, el EN 1.4482 (AISI 2001), y se ha comparado con el inoxidable austenítico más utilizado, el EN 1.4301 (AISI 304), con el dúplex EN 1.4362 (AISI 2304) y con el tradicional acero al carbono B-500-SD. El estudio mecánico y estructural se ha realizado en tres niveles diferentes: a nivel de barra, estudiando las propiedades mecánicas y de ductilidad de los cuatro aceros citados; a nivel de sección, estudiando su comportamiento a flexión con diferentes cuantías de armado por medio de los diagramas momento-curvatura; y a nivel de pieza, ensayando una serie de vigas armadas con diferentes aceros y cuantías, y comprobando su comportamiento a desplazamiento y resistencia por medio de los diagramas carga-desplazamiento. El estudio de resistencia a la corrosión se ha realizado embebiendo barras corrugadas, de los tres aceros inoxidables mencionados, en probetas de mortero contaminadas con diferentes cantidades de cloruros, y realizando mediciones electroquímicas durante un periodo de al menos un año. Se han preparado probetas de mortero para dos comparativas diferentes. La primera, manteniendo las probetas en un desecador con el 95 % de humedad relativa durante todo el periodo de mediciones. La segunda, sumergiendo parcialmente las probetas en una solución tampón para carbonatar el mortero. Los resultados de los ensayos mecánicos han demostrado dos aspectos diferentes. Uno, que las armaduras de acero inoxidable tienen un comportamiento muy similar a las de acero al carbono en lo referente a las resistencias alcanzadas, en el límite elástico y en rotura, pero distinto en cuanto al módulo de deformación longitudinal, cuyo valor es claramente inferior al del acero al carbono, por lo que su utilización en las estructuras de hormigón necesita tener en cuenta ese dato en los análisis lineales de cálculo. El segundo aspecto es que las armaduras de acero inoxidable laminadas en caliente presentan una ductilidad muy superior a las de acero al carbono, por lo que ofrecen una mayor seguridad frente a su rotura o al colapso de la estructura, lo que se debe tener en cuenta en el análisis de cálculo plástico. En cambio, las armaduras de acero inoxidable laminadas en frío sólo cumplen con los límites mínimos de ductilidad establecidos en la instrucción EHE-08 para los aceros soldables, y no para los aceros con características especiales de ductilidad. El estudio a nivel de sección refleja la paradoja de obtener secciones menos dúctiles con las armaduras de acero inoxidable laminadas en caliente que con las armaduras de acero al carbono. Para subsanarlo, se definen los conceptos de curvatura última de rotura y ductilidad de la sección en rotura, que tienen en cuenta las altas deformaciones alcanzadas por las armaduras de acero inoxidable. Los resultados a nivel de pieza permiten identificar el comportamiento estructural del hormigón armado con barras corrugadas de acero inoxidable y compararlo con el de las estructuras de hormigón armado convencionales, verificando los resultados experimentales con los teóricos obtenidos con la formulación recogida en la instrucción EHE- 08. Los ensayos de resistencia a la corrosión por cloruros demuestran, durante el primer año y medio de vida de las probetas, un comportamiento muy similar entre el nuevo acero inoxidable dúplex bajo en níquel y el austenítico y el dúplex utilizados para la comparación, incluso para las probetas carbonatadas. Por último, se añade una comparativa económica, realizada sobre dos edificaciones tipo, para cuantificar el sobrecoste que supone la utilización de armaduras de acero inoxidable respecto a las de acero al carbono. El alto coste inicial de las armaduras de acero inoxidable se ve compensado en el coste final de la estructura de muy diferentes formas, principalmente dependiendo del grado de acero elegido y de si se emplean en el total de la estructura o solamente en los elementos más expuestos. The durability of the concrete structures is limited, especially in certain environments. The attack of aggressive agents in the concrete, mainly carbon dioxide and chloride ions, penetrating the thickness of concrete cover and reaching the reinforcements, reduce the high pH of concrete to the point of reaching a critical threshold, under which, the steel despasivates. Therefore, if there is enough humidity and oxygen, the steel corroes, causing drastic reductions in the service life of these structures and its inevitable repair. Despite the high initial cost compared to carbon steel, the usage of stainless steel reinforcements is an alternative with a major consideration nowadays. Its resistance to corrosion in the most aggressive atmospheres, including chlorides attack, makes the stainless steel a suitable material to extend considerably its lifetime. In this study, it’s been evaluated the mechanical and structural behaviour, and the corrosion resistance, of a new low-nickel duplex stainless steel EN 1.4482 (AISI 2001), and it has been compared with the most widely used austenitic type EN 1.4301 (AISI 304), with duplex steel EN 1.4362 (AISI 2304) and with the traditional carbon steel B-500-SD. The mechanical and structural study has been carried out in three different levels: bar level, studying mechanical properties and ductility of the four steels; section level, studying its behaviour when blending with different amounts of reinforcement through the moment-curvature diagrams; and structural element level, testing a series of reinforced beams with different steels and amounts, and checking its sag and resistance through the load-deflection diagrams. The corrosion resistance study was performed by embedding ribbed bars, using the three stainless steel listed, on mortar specimens contaminated with different amounts of chlorides, and taking electrochemical measurements over a period of at least one year. Mortar specimens have been prepared for two different comparisons. The first, keeping the specimens at 95% of relative humidity during the measurement period. The second, immersing the specimens partially in a carbonate buffer solution. The results of those tests have proved two different aspects. Firstly, that stainless steel reinforcements show a very similar behaviour to carbon steel, according to the reached levels of mechanical resistance, yield stress and steel strength, but a different behaviour in Young’s modulus, which value is clearly lower than the carbon steel. Therefore, when using in concrete structures it is need to consider on that point the existing calculus of linear analysis. The second aspect is that stainless steel reinforcement manufactured by hot-rolling process show a very higher ductility than carbon steel, offering a better security on cracks or structure collapse, which it has to be taken into account on plastic calculus analysis. However, the stainless steel reinfor9 cement cold-rolled bars only meet the minimum thresholds of ductility established by EHE-08 for welded steel, and not for steels with special ductility. The results at the section level reflect the paradox of getting less ductile sections with hot rolled stainless steel reinforcement than with carbon steel reinforcements. To overcome that, the concepts of last break curvature and break ductility section have been defined, which take into account the high deformation value achieved by stainless steel reinforcements. The results at the structural element level allow to identify the structural behaviour of reinforced concrete with stainless steel reinforcements and compared with that of conventional steel reinforcement, contrasting the experimental with the theoretical results obtained from the formulation contained in the instruction EHE-08. Tests on resistance of chloride corrosion show during the first year and a half of specimens life, a similar behaviour between the new low nickel duplex stainless steel and austenitic and duplex used for comparison, even for carbonated specimens. Finally, it has been included an economic comparison on two differents building types, to quantify the additional cost involved on the use of stainless steel reinforcement compared to that of carbon steel. The high initial cost of stainless steel reinforcements is offset in the final cost of the structure in many different ways, mainly depending on the chosen steel grade and whether the reinforcement is used in the total structure or only in risky structural elements.