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.

Research on wide-bandgap intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization

El trabajo que ha dado lugar a esta Tesis Doctoral se enmarca en la invesitagación en células solares de banda intermedia (IBSCs, por sus siglas en inglés). Se trata de un nuevo concepto de célula solar que ofrece la posibilidad de alcanzar altas eficiencias de conversión fotovoltaica. Hasta ahora, se han demostrado de manera experimental los fundamentos de operación de las IBSCs; sin embargo, esto tan sólo has sido posible en condicines de baja temperatura. El concepto de banda intermedia (IB, por sus siglas en inglés) exige que haya desacoplamiento térmico entre la IB y las bandas de valencia y conducción (VB and CB, respectivamente, por sus siglas en inglés). Los materiales de IB actuales presentan un acoplamiento térmico demasiado fuerte entre la IB y una de las otras dos bandas, lo cual impide el correcto funcionamiento de las IBSCs a temperatura ambiente. En el caso particular de las IBSCs fabricadas con puntos cuánticos (QDs, por sus siglas en inglés) de InAs/GaAs - a día de hoy, la tecnología de IBSC más estudiada - , se produce un rápido intercambio de portadores entre la IB y la CB, por dos motivos: (1) una banda prohibida estrecha (< 0.2 eV) entre la IB y la CB, E^, y (2) la existencia de niveles electrónicos entre ellas. El motivo (1) implica, a su vez, que la máxima eficiencia alcanzable en estos dispositivos es inferior al límite teórico de la IBSC ideal, en la cual E^ = 0.71 eV. En este contexto, nuestro trabajo se centra en el estudio de IBSCs de alto gap (o banda prohibida) fabricadsas con QDs, o lo que es lo mismo, QD-IBSCs de alto gap. Hemos fabricado e investigado experimentalmente los primeros prototipos de QD-IBSC en los que se utiliza AlGaAs o InGaP para albergar QDs de InAs. En ellos demostramos une distribución de gaps mejorada con respecto al caso de InAs/GaAs. En concreto, hemos medido valores de E^ mayores que 0.4 eV. En los prototipos de InAs/AlGaAs, este incremento de E^ viene acompaado de un incremento, en más de 100 meV, de la energía de activación del escape térmico. Además, nuestros dispositivos de InAs/AlGaAs demuestran conversión a la alza de tensión; es decir, la producción de una tensión de circuito abierto mayor que la energía de los fotones (dividida por la carga del electrón) de un haz monocromático incidente, así como la preservación del voltaje a temperaura ambiente bajo iluminación de luz blanca concentrada. Asimismo, analizamos el potencial para detección infrarroja de los materiales de IB. Presentamos un nuevo concepto de fotodetector de infrarrojos, basado en la IB, que hemos llamado: fotodetector de infrarrojos activado ópticamente (OTIP, por sus siglas en inglés). Nuestro novedoso dispositivo se basa en un nuevo pricipio físico que permite que la detección de luz infrarroja sea conmutable (ON y OFF) mediante iluminación externa. Hemos fabricado un OTIP basado en QDs de InAs/AlGaAs con el que demostramos fotodetección, bajo incidencia normal, en el rango 2-6/xm, activada ópticamente por un diodoe emisor de luz de 590 nm. El estudio teórico del mecanismo de detección asistido por la IB en el OTIP nos lleva a poner en cuestión la asunción de quasi-niveles de Fermi planos en la zona de carga del espacio de una célula solar. Apoyados por simuaciones a nivel de dispositivo, demostramos y explicamos por qué esta asunción no es válida en condiciones de corto-circuito e iluminación. También llevamos a cabo estudios experimentales en QD-IBSCs de InAs/AlGaAs con la finalidad de ampliar el conocimiento sobre algunos aspectos de estos dispositivos que no han sido tratados aun. En particular, analizamos el impacto que tiene el uso de capas de disminución de campo (FDLs, por sus siglas en inglés), demostrando su eficiencia para evitar el escape por túnel de portadores desde el QD al material anfitrión. Analizamos la relación existente entre el escape por túnel y la preservación del voltaje, y proponemos las medidas de eficiencia cuántica en función de la tensión como una herramienta útil para evaluar la limitación del voltaje relacionada con el túnel en QD-IBSCs. Además, realizamos medidas de luminiscencia en función de la temperatura en muestras de InAs/GaAs y verificamos que los resltados obtenidos están en coherencia con la separación de los quasi-niveles de Fermi de la IB y la CB a baja temperatura. Con objeto de contribuir a la capacidad de fabricación y caracterización del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM), hemos participado en la instalación y puesta en marcha de un reactor de epitaxia de haz molecular (MBE, por sus siglas en inglés) y el desarrollo de un equipo de caracterización de foto y electroluminiscencia. Utilizando dicho reactor MBE, hemos crecido, y posteriormente caracterizado, la primera QD-IBSC enteramente fabricada en el IES-UPM. ABSTRACT The constituent work of this Thesis is framed in the research on intermediate band solar cells (IBSCs). This concept offers the possibility of achieving devices with high photovoltaic-conversion efficiency. Up to now, the fundamentals of operation of IBSCs have been demonstrated experimentally; however, this has only been possible at low temperatures. The intermediate band (IB) concept demands thermal decoupling between the IB and the valence and conduction bands. Stateof- the-art IB materials exhibit a too strong thermal coupling between the IB and one of the other two bands, which prevents the proper operation of IBSCs at room temperature. In the particular case of InAs/GaAs quantum-dot (QD) IBSCs - as of today, the most widely studied IBSC technology - , there exist fast thermal carrier exchange between the IB and the conduction band (CB), for two reasons: (1) a narrow (< 0.2 eV) energy gap between the IB and the CB, EL, and (2) the existence of multiple electronic levels between them. Reason (1) also implies that maximum achievable efficiency is below the theoretical limit for the ideal IBSC, in which EL = 0.71 eV. In this context, our work focuses on the study of wide-bandgap QD-IBSCs. We have fabricated and experimentally investigated the first QD-IBSC prototypes in which AlGaAs or InGaP is the host material for the InAs QDs. We demonstrate an improved bandgap distribution, compared to the InAs/GaAs case, in our wide-bandgap devices. In particular, we have measured values of EL higher than 0.4 eV. In the case of the AlGaAs prototypes, the increase in EL comes with an increase of more than 100 meV of the activation energy of the thermal carrier escape. In addition, in our InAs/AlGaAs devices, we demonstrate voltage up-conversion; i. e., the production of an open-circuit voltage larger than the photon energy (divided by the electron charge) of the incident monochromatic beam, and the achievement of voltage preservation at room temperature under concentrated white-light illumination. We also analyze the potential of an IB material for infrared detection. We present a IB-based new concept of infrared photodetector that we have called the optically triggered infrared photodetector (OTIP). Our novel device is based on a new physical principle that allows the detection of infrared light to be switched ON and OFF by means of an external light. We have fabricated an OTIP based on InAs/AlGaAs QDs with which we demonstrate normal incidence photodetection in the 2-6 /xm range optically triggered by a 590 nm light-emitting diode. The theoretical study of the IB-assisted detection mechanism in the OTIP leads us to questioning the assumption of flat quasi-Fermi levels in the space-charge region of a solar cell. Based on device simulations, we prove and explain why this assumption is not valid under short-circuit and illumination conditions. We perform new experimental studies on InAs/GaAs QD-IBSC prototypes in order to gain knowledge on yet unexplored aspects of the performance of these devices. Specifically, we analyze the impact of the use of field-damping layers, and demonstrate this technique to be efficient for avoiding tunnel carrier escape from the QDs to the host material. We analyze the relationship between tunnel escape and voltage preservation, and propose voltage-dependent quantum efficiency measurements as an useful technique for assessing the tunneling-related limitation to the voltage preservation of QD-IBSC prototypes. Moreover, we perform temperature-dependent luminescence studies on InAs/GaAs samples and verify that the results are consistent with a split of the quasi-Fermi levels for the CB and the IB at low temperature. In order to contribute to the fabrication and characterization capabilities of the Solar Energy Institute of the Universidad Polite´cnica de Madrid (IES-UPM), we have participated in the installation and start-up of an molecular beam epitaxy (MBE) reactor and the development of a photo and electroluminescence characterization set-up. Using the MBE reactor, we have manufactured and characterized the first QD-IBSC fully fabricated at the IES-UPM.