Modelos de cálculo del hormigón confinado con FRP. Estudio comparativo

Investigación experimental sobre pilares de hormigón reforzados con FRP. El confinamiento con un encamisado de FRP se ha convertido en un método habitual de refuerzo de pilares de hormigón armado en estructuras existentes como puentes o edificios. Numerosos estudios experimentales han demostrado que se trata de un modo eficaz de incrementar considerablemente la resistencia del hormigón. En los últimos años se están proponiendo también diferentes modelos teóricos y se han publicado en diversos países guías y recomendaciones con diversas ecuaciones para el cálculo. En este trabajo se revisan las formulaciones propuestas en las principales recomendaciones publicadas incidiendo en los dos aspectos que se han identificado como claves en el comportamiento del hormigón confinado con FRP: la deformación última efectiva del FRP y la influencia de la forma de la sección del pilar en la eficacia del confinamiento

Application of PZT and FBG impedance sensors for structural health monitoring of reinforced concrete beams strengthened with FRP composite materials

Esta Tesis tiene como objetivo principal el desarrollo de métodos de identificación del daño que sean robustos y fiables, enfocados a sistemas estructurales experimentales, fundamentalmente a las estructuras de hormigón armado reforzadas externamente con bandas fibras de polímeros reforzados (FRP). El modo de fallo de este tipo de sistema estructural es crítico, pues generalmente es debido a un despegue repentino y frágil de la banda del refuerzo FRP originado en grietas intermedias causadas por la flexión. La detección de este despegue en su fase inicial es fundamental para prevenir fallos futuros, que pueden ser catastróficos. Inicialmente, se lleva a cabo una revisión del método de la Impedancia Electro-Mecánica (EMI), de cara a exponer sus capacidades para la detección de daño. Una vez la tecnología apropiada es seleccionada, lo que incluye un analizador de impedancias así como novedosos sensores PZT para monitorización inteligente, se ha diseñado un procedimiento automático basado en los registros de impedancias de distintas estructuras de laboratorio. Basándonos en el hecho de que las mediciones de impedancias son posibles gracias a una colocación adecuada de una red de sensores PZT, la estimación de la presencia de daño se realiza analizando los resultados de distintos indicadores de daño obtenidos de la literatura. Para que este proceso sea automático y que no sean necesarios conocimientos previos sobre el método EMI para realizar un experimento, se ha diseñado e implementado un Interfaz Gráfico de Usuario, transformando la medición de impedancias en un proceso fácil e intuitivo. Se evalúa entonces el daño a través de los correspondientes índices de daño, intentando estimar no sólo su severidad, sino también su localización aproximada. El desarrollo de estos experimentos en cualquier estructura genera grandes cantidades de datos que han de ser procesados, y algunas veces los índices de daño no son suficientes para una evaluación completa de la integridad de una estructura. En la mayoría de los casos se pueden encontrar patrones de daño en los datos, pero no se tiene información a priori del estado de la estructura. En este punto, se ha hecho una importante investigación en técnicas de reconocimiento de patrones particularmente en aprendizaje no supervisado, encontrando aplicaciones interesantes en el campo de la medicina. De ahí surge una idea creativa e innovadora: detectar y seguir la evolución del daño en distintas estructuras como si se tratase de un cáncer propagándose por el cuerpo humano. En ese sentido, las lecturas de impedancias se emplean como información intrínseca de la salud de la propia estructura, de forma que se pueden aplicar las mismas técnicas que las empleadas en la investigación del cáncer. En este caso, se ha aplicado un algoritmo de clasificación jerárquica dado que ilustra además la clasificación de los datos de forma gráfica, incluyendo información cualitativa y cuantitativa sobre el daño. Se ha investigado la efectividad de este procedimiento a través de tres estructuras de laboratorio, como son una viga de aluminio, una unión atornillada de aluminio y un bloque de hormigón reforzado con FRP. La primera ayuda a mostrar la efectividad del método en sencillos escenarios de daño simple y múltiple, de forma que las conclusiones extraídas se aplican sobre los otros dos, diseñados para simular condiciones de despegue en distintas estructuras. Demostrada la efectividad del método de clasificación jerárquica de lecturas de impedancias, se aplica el procedimiento sobre las estructuras de hormigón armado reforzadas con bandas de FRP objeto de esta tesis, detectando y clasificando cada estado de daño. Finalmente, y como alternativa al anterior procedimiento, se propone un método para la monitorización continua de la interfase FRP-Hormigón, a través de una red de sensores FBG permanentemente instalados en dicha interfase. De esta forma, se obtienen medidas de deformación de la interfase en condiciones de carga continua, para ser implementadas en un modelo de optimización multiobjetivo, cuya solución se haya por medio de una expansión multiobjetivo del método Particle Swarm Optimization (PSO). La fiabilidad de este último método de detección se investiga a través de sendos ejemplos tanto numéricos como experimentales. ABSTRACT This thesis aims to develop robust and reliable damage identification methods focused on experimental structural systems, in particular Reinforced Concrete (RC) structures externally strengthened with Fiber Reinforced Polymers (FRP) strips. The failure mode of this type of structural system is critical, since it is usually due to sudden and brittle debonding of the FRP reinforcement originating from intermediate flexural cracks. Detection of the debonding in its initial stage is essential thus to prevent future failure, which might be catastrophic. Initially, a revision of the Electro-Mechanical Impedance (EMI) method is carried out, in order to expose its capabilities for local damage detection. Once the appropriate technology is selected, which includes impedance analyzer as well as novel PZT sensors for smart monitoring, an automated procedure has been design based on the impedance signatures of several lab-scale structures. On the basis that capturing impedance measurements is possible thanks to an adequately deployed PZT sensor network, the estimation of damage presence is done by analyzing the results of different damage indices obtained from the literature. In order to make this process automatic so that it is not necessary a priori knowledge of the EMI method to carry out an experimental test, a Graphical User Interface has been designed, turning the impedance measurements into an easy and intuitive procedure. Damage is then assessed through the analysis of the corresponding damage indices, trying to estimate not only the damage severity, but also its approximate location. The development of these tests on any kind of structure generates large amounts of data to be processed, and sometimes the information provided by damage indices is not enough to achieve a complete analysis of the structural health condition. In most of the cases, some damage patterns can be found in the data, but none a priori knowledge of the health condition is given for any structure. At this point, an important research on pattern recognition techniques has been carried out, particularly on unsupervised learning techniques, finding interesting applications in the medicine field. From this investigation, a creative and innovative idea arose: to detect and track the evolution of damage in different structures, as if it were a cancer propagating through a human body. In that sense, the impedance signatures are used to give intrinsic information of the health condition of the structure, so that the same clustering algorithms applied in the cancer research can be applied to the problem addressed in this dissertation. Hierarchical clustering is then applied since it also provides a graphical display of the clustered data, including quantitative and qualitative information about damage. The performance of this approach is firstly investigated using three lab-scale structures, such as a simple aluminium beam, a bolt-jointed aluminium beam and an FRP-strengthened concrete specimen. The first one shows the performance of the method on simple single and multiple damage scenarios, so that the first conclusions can be extracted and applied to the other two experimental tests, which are designed to simulate a debonding condition on different structures. Once the performance of the impedance-based hierarchical clustering method is proven to be successful, it is then applied to the structural system studied in this dissertation, the RC structures externally strengthened with FRP strips, where the debonding failure in the interface between the FRP and the concrete is successfully detected and classified, proving thus the feasibility of this method. Finally, as an alternative to the previous approach, a continuous monitoring procedure of the FRP-Concrete interface is proposed, based on an FBGsensors Network permanently deployed within that interface. In this way, strain measurements can be obtained under controlled loading conditions, and then they are used in order to implement a multi-objective model updating method solved by a multi-objective expansion of the Particle Swarm Optimization (PSO) method. The feasibility of this last proposal is investigated and successfully proven on both numerical and experimental RC beams strengthened with FRP.

Estudio de hormigón autocompactante con árido reciclado

La tesis doctoral “Estudio de hormigón autocompactante con árido reciclado” realizada dentro del programa de doctorado de la Universidad Politécnica de Madrid “Máster en técnicas experimentales avanzadas en la ingeniería civil”, investiga la sustitución de áridos gruesos naturales por reciclados en hormigones autocompactantes, para demostrar la posibilidad de utilización de este tipo de árido en la fabricación de hormigones autocompactantes. En cuanto a la línea experimental adoptada, la primera fase corresponde a la caracterización de los cementos y de los áridos naturales y reciclados. En ella se han obtenido las principales características físicas y mecánicas. Una vez validadas las características de todos los materiales y adoptada una dosificación de hormigón autocompactante, se han elaborado cuatro dosificaciones con cuatro grados de incorporación de árido reciclado cada una, y una dosificación con seis grados de incorporación de árido reciclado. Fabricándose un total de 22 tipos de hormigón diferentes, sin contar todas las amasadas iniciales hasta la consecución de un hormigón autocompactante. Las cinco dosificaciones se han dividido en dos grupos para poder analizar con mayor grado de definición las características de cada uno. El primer grupo es aquel que contienen los hormigones con diferentes relaciones a/c, que incluye a la muestra A (a/c=0.55), muestra D (a/c=0.50) y muestra E (a/c=0.45). Por el contrario, el segundo grupo dispone de una relación fija de a/c=0.45 pero diferentes relaciones a/c efectivas, ya que algunas de las muestras disponen de un contenido de agua que permite contrarrestar la mayor absorción del árido reciclado. Estando en este grupo la muestra E (sin agua adicional), la muestra H (con presaturación de los áridos) y la muestra I (con un aporte de agua junto con el agua de amasado. Una vez fabricados los hormigones, se pasa a la segunda fase del estudio correspondiente a la caracterización del hormigón en estado fresco. En esta fase se han llevado a cabo los ensayos de escurrimiento, escurrimiento con anillo japonés, ensayo embudo en V y embudo V a los 5 minutos. Todos estos ensayos permiten evaluar la autocompactabilidad del hormigón según el anejo 17 de la EHE-08. La tercera fase del estudio se centra en la caracterización de los hormigones en estado endurecido, evaluando las características resistentes del hormigón. Para ello, se han realizado los ensayos de resistencia a compresión, a tracción, módulo de elasticidad y coeficiente de Poisson. En la cuarta y última fase, se han analizado la durabilidad de los hormigones, debido que a pesar de ofrecer una adecuada autocompactabilidad y resistencia mecánica, se debe de obtener un hormigón con una correcta durabilidad. Para tal fin, se ha determinado la resistencia a la penetración de agua bajo presión y carbonatación de las probetas. Este último ensayo se ha realizado teniendo en cuenta las condiciones del denominado método natural, con una exposición al ambiente de 90 días y 365 días. Con todos estos resultados se elaboraron las conclusiones derivadas de la investigación, demostrándose la posibilidad de fabricación de hormigones autocompactantes con árido reciclado (HACR) con sustituciones de hasta un 40%, e incluso dependiendo de la relación a/c con sustituciones del 60% y el 80%. ABSTRACT The doctoral thesis titled Analysis of self-compacting concrete with recycled aggregates, has been developed in accordance with the doctoral program: Master degree in advanced experimental techniques in civil engineering, at UPM. It investigates the possibility of replacing natural coarse aggregates with recycled coarse aggregates, in the field of self-compacting concrete. The aim of this dissertation is to analyze the possibility of using recycled coarse aggregates in the manufacture process of self-compacting concretes. Regarding the experimental part, the first phase refers to mechanical and physical characterization of some materials such as cement, natural aggregates and recycled aggregates. Once the characteristics of all materials have been validated and the mixing proportions have been adopted, four different mixes are elaborated by using four dosage rates of recycled aggregates in each one of the samples. Moreover, an additional sample consisting of six different dosages of recycled aggregates is considered. A total number of 22 concrete specimens have been manufactured, without including all the initial kneading samples used to obtain this type of self-compacting concrete. The aforementioned mixes have been divided in two different groups to be able to analyze with more definition. The first group is the one in which the concrete contains different values of the water - cement ratio. It includes the next samples: A (w/c=0.55), D (w/c=0.50) and E (w/c=0.45). The second group has a fixed water -cement ratio, w/c=0.45, but a different effective water - cement ratio, since some of the samples have a water content that enables to offset the major absorption of the recycled aggregates, being in this group the mixing E (without additional water), the mixing H (with saturated recycled aggregate) and the mixing I (with an additional water content to the existing kneading water). Once the concrete samples have been manufactured, the following section deals with the characterization of the concrete in fresh conditions. To accomplish this, several characterization tests are carried out such as the slump-flow test, test slump flow with Japanese ring, test V-funnel and V-funnel to 5 minutes. These tests are used to assess the self-compacting conditions according to the annex 17 of the EHE-08 The third phase of the study focuses on the mechanical characterization, the assessment of the strength properties of the concrete such as compressive strength, tensile strength, modulus of elasticity and Poisson´s ratio. Within the fourth and last phase, durability of the concrete is evaluated. This fact is motivated by the need to obtain not only good self-compacting and mechanical strength properties, but also adequate durability conditions. To accomplish the aforementioned durability, resistance of the samples under certain conditions such as water penetration pressure and carbonation, has been obtained. The latter test has been carried out taking into account the natural method, with an exhibition period to the environment of 90 days and 365 days. Through the results coming from this research work, it has been possible to obtain the main conclusions. It has been demonstrated the possibility to manufacture self-compacting concrete by using recycled aggregates with replacement rates up to 40% or, depending on the w/c ratio, rates of 60% and 80% might be reached.

Comportamiento de vigas de hormigón reforzadas a cortante con tejidos de fibras de carbono o basalto pegados con resina epoxi

Tanto en estructuras de edificación como de obra civil cada día resulta más frecuente la necesidad de su refuerzo, bien por problemas asociados a patologías o por el aumento de las cargas asociado generalmente a un cambio de uso. El objetivo principal de este trabajo ha sido estudiar el comportamiento de vigas de hormigón, reforzadas a cortante con tejidos de fibra de carbono o basalto pegados con resinas epoxi. Para conseguir este objetivo se han planteado objetivos parciales como el análisis de la fisuración y de los movimientos en las vigas reforzadas con polímeros reforzados con fibras (FRP) y la comparación del comportamiento mecánico de los sistemas de refuerzo estudiados.

Comportamiento estructural de elementos de fábrica reforzados con materiales compuestos avanzados solicitados a flexión y flexocompresión

El refuerzo de estructuras existentes mediante el encolado exterior de láminas de polímeros reforzados con fibras (FRP) se ha convertido en la aplicación más común de los materiales compuestos avanzados en construcción. Estos materiales presentan muchas ventajas frente a los materiales convencionales (sin corrosión, ligeros, de fácil aplicación, etc.). Pero a pesar de las numerosas investigaciones realizadas, aún persisten ciertas dudas sobre algunos aspectos de su comportamiento y las aplicaciones prácticas se llevan a cabo sólo con la ayuda de guías, sin que haya una normativa oficial. El objetivo de este trabajo es incrementar el conocimiento sobre esta técnica de refuerzo, y más concretamente, sobre el refuerzo a flexión de estructuras de fábrica. Con frecuencia el elemento reforzado es de hormigón armado y las láminas de FRP encoladas al exterior sirven para mejorar su resistencia a flexión, cortante o compresión (encamisados). Sin embargo su empleo en otros materiales como las estructuras de fábrica resulta muy prometedor. Las fábricas se caracterizan por soportar muy bien los esfuerzos de compresión pero bastante mal los de tracción. Adherir láminas de materiales compuestos puede servir para mejorar la capacidad resistente de elementos de fábrica sometidos a esfuerzos de flexión. Pero para ello, debe quedar garantizada una correcta adherencia entre el FRP y la fábrica, especialmente en edificios antiguos cuya superficie puede estar deteriorada por encontrarse a la intemperie o por el propio paso del tiempo. En el capítulo II se describen los objetivos fundamentales del trabajo y el método seguido. En el capítulo III se hace una amplia revisión del estado de conocimiento sobre el tema. En el apartado III.1 se detallan las principales características y propiedades mecánicas de fibras, matrices y materiales compuestos así como sus principales aplicaciones, haciendo especial hincapié en aspectos relativos a su durabilidad. En el apartado III.2 se incluye una revisión histórica de las líneas de investigación, tanto teóricas como empíricas, publicadas sobre estructuras de hormigón reforzadas a flexión encolando materiales compuestos. El apartado III.3 se centra en el aspecto fundamental de la adherencia refuerzo-soporte. Se hace un repaso a distintos modelos propuestos para prevenir el despegue distinguiendo si éste se inicia en la zona de anclaje o si está inducido por fisuras en la zona interior del elemento. Se observa falta de consenso en las propuestas. Además en este punto se relatan las campañas experimentales publicadas acerca de la adherencia entre materiales compuestos y fábricas. En el apartado III.4 se analizan las particularidades de las estructuras de fábrica. Además, se revisan algunas de las investigaciones relativas a la mejora de su comportamiento a flexión mediante láminas de FRP. El comportamiento mecánico de muros reforzados solicitados a flexión pura (sin compresión) ha sido documentado por varios autores, si bien es una situación poco frecuente en fábricas reales. Ni el comportamiento mecánico de muros reforzados solicitados a flexocompresión ni la incidencia que el nivel de compresión soportado por la fábrica tiene sobre la capacidad resistente del elemento reforzado han sido suficientemente tratados. En cuanto a los trabajos teóricos, las diferentes propuestas se basan en los métodos utilizados para hormigón armado y comparten los principios habituales de cálculo. Sin embargo, presentan diferencias relativas, sobre todo, a tres aspectos: 1) la forma de modelar el comportamiento de la fábrica, 2) el valor de deformación de cálculo del refuerzo, y 3) el modo de fallo que se considera recomendable buscar con el diseño. A pesar de ello, el ajuste con la parte experimental de cada trabajo suele ser bueno debido a una enorme disparidad en las variables consideradas. Cada campaña presenta un modo de fallo característico y la formulación que se propone resulta apropiada para él. Parece necesario desarrollar un método de cálculo para fábricas flexocomprimidas reforzadas con FRP que pueda ser utilizado para todos los posibles fallos, tanto atribuibles a la lámina como a la fábrica. En el apartado III.4 se repasan algunas lesiones habituales en fábricas solicitadas a flexión y se recogen ejemplos de refuerzos con FRP para reparar o prevenir estos daños. Para mejorar el conocimiento sobre el tema, se llevan a cabo dos pequeñas campañas experimentales realizadas en el Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja. La primera acerca de la adherencia de materiales compuestos encolados a fábricas deterioradas (apartado IV.1) y la segunda sobre el comportamiento estructural a flexocompresión de probetas de fábrica reforzadas con estos materiales (apartado IV.2). En el capítulo V se analizan algunos de los modelos de adherencia propuestos para prevenir el despegue del extremo del refuerzo. Se confirma que las predicciones obtenidas con ellos resultan muy dispares. Se recopila una base de datos con los resultados experimentales de campañas sobre adherencia de FRP a fábricas extraídas de la literatura y de los resultados propios de la campaña descrita en el punto IV.1. Esta base de datos permite conocer cual de los métodos analizados resulta más adecuado para dimensionar el anclaje de láminas de FRP adheridas a fábricas. En el capítulo VI se propone un método para la comprobación en agotamiento de secciones de fábrica reforzadas con materiales compuestos sometidas a esfuerzos combinados de flexión y compresión. Está basado en el procedimiento de cálculo de la capacidad resistente de secciones de hormigón armado pero adaptado a las fábricas reforzadas. Para ello, se utiliza un diagrama de cálculo tensión deformación de la fábrica de tipo bilineal (acorde con el CTE DB SE-F) cuya simplicidad facilita el desarrollo de toda la formulación al tiempo que resulta adecuado para predecir la capacidad resistente a flexión tanto para fallos debidos al refuerzo como a la fábrica. Además se limita la deformación de cálculo del refuerzo teniendo en consideración ciertos aspectos que provocan que la lámina adherida no pueda desarrollar toda su resistencia, como el desprendimiento inducido por fisuras en el interior del elemento o el deterioro medioambiental. En concreto, se propone un “coeficiente reductor por adherencia” que se determina a partir de una base de datos con 68 resultados experimentales procedentes de publicaciones de varios autores y de los ensayos propios de la campaña descrita en el punto IV.2. También se revisa la formulación propuesta con ayuda de la base de datos. En el capítulo VII se estudia la incidencia de las principales variables, como el axil, la deformación de cálculo del refuerzo o su rigidez, en la capacidad final del elemento. Las conclusiones del trabajo realizado y las posibles líneas futuras de investigación se exponen en el capítulo VIII. ABSTRACT Strengthening of existing structures with externally bonded fiber reinforced polymers (FRP) has become the most common application of advanced composite materials in construction. These materials exhibit many advantages in comparison with traditional ones (corrosion resistance, light weight, easy to apply, etc.). But despite countless researches have been done, there are still doubts about some aspects of their behaviour and applications are carried out only with the help of guidelines, without official regulations. The aim of this work is to improve the knowledge on this retrofitting technique, particularly in regard to flexural strengthening of masonry structures. Reinforced concrete is often the strengthened material and external glued FRP plates are used to improve its flexural, shear or compressive (by wrapping) capacity. However the use of this technique on other materials like masonry structures looks promising. Unreinforced masonry is characterized for being a good material to support compressive stresses but really bad to withstand tensile ones. Glue composite plates can improve the flexural capacity of masonry elements subject to bending. But a proper bond between FRP sheet and masonry must be ensured to do that, especially in old buildings whose surface can be damaged due to being outside or ageing. The main objectives of the work and the methodology carried out are described In Chapter II. An extensive overview of the state of art is done in Chapter III. In Section III.1 physical and mechanical properties of fibers, matrix and composites and their main applications are related. Durability aspects are especially emphasized. Section III.2 includes an historical overview of theoretical and empirical researches on concrete structures strengthened gluing FRP plates to improve their flexural behaviour. Section III.3 focuses on the critical point of bonding between FRP and substrate. Some theoretical models to prevent debonding of FRP laminate are reviewed, it has made a distinction between models for detachment at the end of the plate or debonding in the intermediate zones due to the effects of cracks. It is observed a lack of agreement in the proposals. Some experimental studies on bonding between masonry and FRP are also related in this chapter. The particular characteristics of masonry structures are analyzed in Section III.4. Besides some empirical and theoretical investigations relative to improve their flexural capacity with FRP sheets are reviewed. The mechanical behaviour of strengthened walls subject to pure bending (without compression) has been established by several authors, but this is an unusual situation for real masonry. Neither mechanical behaviour of walls subject to bending and compression nor influence of axial load in the final capacity of the strengthened element are adequately studied. In regard to theoretical studies, the different proposals are based on reinforced concrete analytical methods and share common design principles. However, they present differences, especially, about three aspects: 1) the constitutive law of masonry, 2) the value of ultimate FRP strain and 3) the desirable failure mode that must be looked for. In spite of them, a good agreement between each experimental program and its theoretical study is often exhibited due to enormous disparity in considered test parameters. Each experimental program usually presents a characteristic failure mode and the proposed formulation results appropriate for this one. It seems necessary to develop a method for FRP strengthened walls subject to bending and compression enable for all failure modes (due to FRP or masonry). Some common damages in masonry subject to bending are explained in Section III.4. Examples of FRP strengthening to repair or prevent these damages are also written. Two small experimental programs are carried out in Eduardo Torroja Institute to improve the knowledge on this topic. The first one is concerned about the bond between FRP plates and damaged masonry (section IV.1) and the second one is related to the mechanical behaviour of the strengthened masonry specimens subject to out of plane bending combined with axial force (section IV.2). In the Chapter V some bond models to prevent the debonding at the FRP plate end are checked. It is confirmed that their predictions are so different. A pure-shear test database is compiled with results from the existing literature and others from the experimental program described in section IV.1. This database lets know which of the considered model is more suitable to design anchorage lengths of glued FRP to masonry. In the Chapter VI a method to check unreinforced masonry sections with external FRP strengthening subject to bending and compression to the ultimate limit state is proposed. This method is based on concrete reinforced one, but it is adapted to strengthened masonry. A bilinear constitutive law is used for masonry (according to CTE DB SE-F). Its simplicity helps to develop the model formulation and it has proven to be suitable to predict bending capacity either for FRP failures or masonry crushing. With regard to FRP, the design strain is limited. It is taken into account different aspects which cause the plate can’t reach its ultimate strength, like intermediate FRP debonding induced by opening cracking or environmental damage. A “bond factor” is proposed. It is obtained by means of an experimental bending test database that includes 68 results from the existing literature and from the experimental program described in section IV.2. The proposed formulation has also been checked with the help of bending database. The effects of the main parameters, like axial load, FRP design effective strain or FRP stiffness, on the bending capacity of the strengthened element are studied in Chapter VII. Finally, the main conclusions from the work carried out are summarized in Chapter VIII. Future lines of research to be explored are suggested as well.

Hormigones con nano adiciones y fibras de acero

El objetivo general del trabajo fin de máster es estudiar la influencia de la adición de nano-sílice y nano-alúmina acompañada con fibras de acero en un hormigón convencional. Con el objetivo general planteado será necesario realizar ensayos para comparar los resultados entre hormigones convencionales con distintas proporciones de fibras de acero, este trabajo fin de máster tiene los siguientes objetivos particulares. •Evaluar los cambios que se producen en las propiedades en estado fresco de los distintos hormigones ensayados. •Dentro del trabajo experimental en laboratorio y evaluando la influencia de las adiciones en el hormigón convencional realizar ensayos como la resistencia a la compresión, tracción indirecta o ensayo brasileño, obtención del módulo de Elasticidad y coeficiente de Poisson, carga de rotura por flexotracción con el fin de determinar las características mecánicas. •Realizar ensayos de permeabilidad para evaluar el comportamiento y su influencia en la durabilidad del hormigón. Para realizar el trabajo y también cumplir con los objetivos, se procedió a la comparación del comportamiento de tres tipos de hormigón con la misma cantidad de cemento y relación agua/cemento: El primer ensayo se inicio con hormigón convencional con adición de 2% de nano-sílice, 2% de nano-alúmina. El segundo ensayo se realizó con hormigón convencional con adición de 2% de nano-sílice, 2% de nano-alúmina y 0.25% (en volumen de la mezcla) de fibras de acero. Y por último el tercer ensayo se realizo añadiendo 2% de nano-sílice, 2% de nano-alúmina y 0.51% (en volumen de la mezcla) de fibras de acero. Las etapas seguidas en este trabajo son las siguientes: Revisión bibliográfica relativa a los hormigones convencionales reforzados con fibras de acero, adición de nano-sílice y/o nano-alúmina. Estudio y elección de las dosificaciones para los hormigones objeto de estudio: hormigón convencional con adiciones y hormigón convencional con adiciones y fibras de acero con diferentes cantidades añadidas. Evaluación de los hormigones reforzados con fibras en estado fresco en base a la normativa vigente y a las exigencias de la Instrucción del Hormigón Estructural (EHE- 08). Evaluación de las propiedades mecánicas de los hormigones en estado endurecido mediante los ensayos correspondientes. Determinación de la profundidad de penetración de agua bajo presión en hormigones endurecidos. Establecer un análisis de los resultados obtenidos con los hormigones ensayados, estudiando su comportamiento con cada adición de fibras, con el fin de fijar recomendaciones de uso.

Comportamiento de pilares de hormigón armado confinados con materiales compuestos sometidos a compresión centrada

En la actualidad muchas estructuras de hormigón armado necesitan ser reforzadas debido a diversas razones: errores en el proyecto o construcción, deterioro debido a efectos ambientales, cambios de uso o mayores requerimientos en los códigos. Los materiales compuestos, también conocidos como polímeros reforzados con fibras (FRP), están constituidos por fibras continuas de gran resistencia y rigidez embebidas en un material polimérico. Los FRP se utilizan cada vez más en aplicaciones estructurales debido a sus excelentes propiedades (elevadas resistencia y rigidez específicas y resistencia a la corrosión). Una de las aplicaciones más atractivas es el refuerzo de pilares mediante confinamiento para incrementar su resistencia y ductilidad. El confinamiento puede conseguirse pegando capas de FRP envolviendo el pilar en la dirección de los cercos (con las fibras orientadas en dirección perpendicular al eje del elemento). Se han realizado numerosos estudios experimentales en probetas cilíndricas pequeñas confinadas con encamisados de FRP y sometidas a compresión axial, y se han propuesto varios modelos sobre el hormigón confinado con FRP. Es sabido que el confinamiento de pilares de sección no circular es menos eficiente. En una sección circular, el FRP ejerce una presión de confinamiento uniforme sobre todo el perímetro, mientras que en una sección rectangular la acción de confinamiento se concentra en las esquinas. Esta tesis presenta los resultados de una investigación experimental sobre el comportamiento de probetas de hormigón de sección cuadrada confinadas con FRP y sometidas a compresión centrada. Se realizaron un total de 42 ensayos investigándose el comportamiento en las direcciones axial y transversal. Las variables del estudio incluyen: la resistencia del hormigón, el tipo de fibras (vidrio o carbono), la cuantía de refuerzo y el radio de curvatura de las esquinas. Los resultados de los ensayos realizados muestran que el confinamiento con FRP puede mejorar considerablemente la resistencia y ductilidad de pilares de hormigón armado de sección cuadrada con las esquinas redondeadas. La mejora conseguida es mayor en los hormigones de baja resistencia que en los de resistencia media. La deformación de rotura de la camisa de FRP es menor que la que se obtiene en ensayos de tracción normalizados del laminado, y la eficiencia del confinamiento depende en gran medida del radio de redondeo de las esquinas. Los resultados se han comparado con los obtenidos según los modelos teóricos más aceptados. Hay dos parámetros críticos en el ajuste de los modelos: el factor de eficiencia de la deformación y el efecto de confinamiento en secciones no circulares. Nowadays, many existing RC structures are in need of repair and strengthening for several reasons: design or construction errors, deterioration caused by environmental effects, change in use of the structures or revisions of code requirements. Composite materials, also known as fibre reinforced polymers (FRP), are composed of high strength and stiffness continuous fibres embedded in a polymer material. FRP materials are being increasingly used in many structural applications due to their excellent properties (high strength- and stiffness-toweight ratio, good corrosion behaviour). One of the most attractive applications of FRP is the confinement of concrete columns to enhance both strength and ductility. Concrete confinement can be achieved by bonding layers of hoop FRP around the column (fibres oriented perpendicular to the longitudinal axis). Many experimental studies have been conducted on small-scale plain concrete specimens of circular cross-sections confined with FRP and subjected to pure axial compressive loading, and several design models have been proposed to describe the behaviour of FRP-confined concrete. It is widely accepted that the confinement of non-circular columns is less efficient than the confinement of circular columns. In a circular cross section, the jacket exerts a uniform confining pressure over the entire perimeter. In the case of a rectangular cross section, the confining action is mostly concentrated at the corners. This thesis presents the results of a comprehensive experimental investigation on the behaviour of axially loaded square concrete specimens confined with FRP. A total of 42 compression tests were conducted, and the behaviour of the specimens in the axial and transverse directions were investigated. The parameters considered in this study are: concrete strength, type of fibres (glass or carbon), amount of FRP reinforcement and corner radius of the cross section. The tests results indicate that FRP confinement can enhance considerably the compressive strength and ductility of RC square columns with rounded corners. The enhancement is more pronounced for low- than for normal-strength concrete. The rupture strain of the FRP jacket is lower than the ultimate strain obtained by standard tensile testing of the FRP material, and the confinement efficiency significantly depends on the corner radius. The confined concrete behaviour was predicted according to the more accepted theoretical models and compared with experimental results. There are two key parameters which critically influence the fitting of the models: the strain efficiency factor and the effect of confinement in non-circular sections.

Estudio de la adherencia entre armaduras de materiales compuestos de matriz polimérica (FRP) y hormigón

En este artículo se presentan los resultados del estudio del comportamiento adherente de barras de materiales compuestos de matriz polímero (FRP), con fibras de vidrio (GFRP) y con fibras de carbono (CFRP), como armadura de hormigón. Se realizan un total de 91 ensayos según las normas ACI 440.3R-04 y CSA S806-02. Los parámetros considerados en los ensayos son la resistencia del hormigón,e l acabado superficial,e l tipo de fibra y el diámetro de la barra. Los resultados dan una estimación de la capacidad de adherencia para diferentes tipos de hormigón y armaduras. La diferencia en las propiedades y en el comportamiento adherente se traduce en una respuesta adherencia-deslizamiento distinta

Limit load instabilities in structural elements

Este trabajo analiza distintas inestabilidades en estructuras formadas por distintos materiales. En particular, se capturan y se modelan las inestabilidades usando el método de Riks. Inicialmente, se analiza la bifurcación en depósitos cilíndricos formados por material anisótropo sometidos a carga axial y presión interna. El análisis de bifurcación y post-bifurcación asociados con cilindros de pared gruesa se formula para un material incompresible reforzado con dos fibras que son mecánicamente equivalentes y están dispuestas simétricamente. Consideramos dos casos en la naturaleza de la anisotropía: (i) Fibras refuerzo que tienen una influencia particular sobre la respuesta a cortante del material y (ii) Fibras refuerzo que influyen sólo si la fibra cambia de longitud con la deformación. Se analiza la propagación de las inestabilidades. En concreto, se diferencia en el abultamiento (bulging) entre la propagación axial y la propagación radial de la inestabilidad. Distintos modelos sufren una u otra propagación. Por último, distintas inestabilidades asociadas al mecanismo de ablandamiento del material (material softening) en contraposición al de endurecimiento (hardening) en una estructura (viga) de a: hormigón y b: hormigón reforzado son modeladas utilizando una metodología paralela a la desarrollada en el análisis de inestabilidades en tubos sometidos a presión interna. This present work deals with the instability of structures made of various materials. It captures and models different types of instabilities using numerical analysis. Firstly, we consider bifurcation for anisotropic cylindrical shells subject to axial loading and internal pressure. Analysis of bifurcation and post bifurcation of inflated hyperelastic thick-walled cylinder is formulated using a numerical procedure based on the modified Riks method for an incompressible material with two preferred directions which are mechanically equivalent and are symmetrically disposed. Secondly, bulging/necking motion in doubly fiber-reinforced incompressible nonlinearly elastic cylindrical shells is captured and we consider two cases for the nature of the anisotropy: (i) reinforcing models that have a particular influence on the shear response of the material and (ii) reinforcing models that depend only on the stretch in the fiber direction. The different instability motions are considered. Axial propagation of the bulging instability mode in thin-walled cylinders under inflation is analyzed. We present the analytical solution for this particular motion as well as for radial expansion during bulging evolution. For illustration, cylinders that are made of either isotropic incompressible non-linearly elastic materials or doubly fiber reinforced incompressible non-linearly elastic materials are considered. Finally, strain-softening constitutive models are considered to analyze two concrete structures: a reinforced concrete beam and an unreinforced notch beam. The bifurcation point is captured using the Riks method used previously to analyze bifurcation of a pressurized cylinder.

Hormigones preparados con distintos agregados reciclados: Estudio experimental y modelación computacional para los estados fresco y endurecido

El planteo general de este Proyecto de Investigación Trianual incluye el estudio sistemático y actualizado de los procedimientos técnicos y de los métodos experimentales adecuados para la garantía de calidad de los Agregados Reciclados obtenidos de hormigones demolidos, a utilizar en estructuras de cualquier tipo, en general y en pavimentos de autopistas, aeropuertos, carreteras y calles, en particular; por medio de la aplicación de las Especificaciones respectivas a redactar y proponer para su inclusión en las Normas IRAM y en los Reglamentos CIRSOC. (...) El Plan de Trabajo Trianual que se detalla en las páginas siguientes que forman parte de esta Solicitud de Subsidio incluye sintéticamente los siguientes temas: 1995: Caracterización de Hormigones Frescos con Agregados Reciclados. Estudio de la consistencia; Reología del hormigón fresco; Estudio de la trabajabilidad; Análisis de tipo: estático y dinámico; Estudio de la segregación; Estudio de la exudación; Influencia de los aditivos; Redacción de normas y especificaciones. 1996: Caracterización de Hormigones Endurecidos con Agregados Reciclados. Estudio de la microfisuración; Rotura y nivel de solicitación de los hormigones endurecidos; Adherencia entre los agregados reciclados y el mortero de cemento; Determinación experimental de las fisuras por el método ultrasónico y otros; Teoría del daño aplicada a hormigones con agregados reciclados; Análisis de los estados de fisuramiento en compresión y en flexión; Redacción de normas y especificaciones. 1997: Mecánica de la Fractura en Hormigones con Agregados Reciclados. Análisis de los parámetros de fractura en los hormigones; Estudio de la mecánica de la fractura y de la microfisuración; modelación de las fracturas en los hormigones por el método de elementos finitos; Análisis experimental para caracterizar la propagación de fisuras; Fisuramientos por efectos térmicos; Análisis de la fractura en la unión de hormigón nuevo con viejo; Redacción de normas y especificaciones.

Study of bond behaviour between FRP reinforcement and concrete

El uso de barras de materiales compuestos (FRP) se propone como una alternativa efectiva para las tradicionales estructuras de hormigón armadas con acero que sufren corrosión en ambientes agresivos. La aceptación de estos materiales en el mundo de la construcción está condicionada a la compresión de su comportamiento estructural. Este trabajo estudia el comportamiento adherente entre barras de FRP y hormigón mediante dos programas experimentales. El primero incluye la caracterización de la adherencia entre barras de FRP y hormigón mediante ensayos de pull-out y el segundo estudia el proceso de fisuración de tirantes de hormigón reforzados con barras de GFRP mediante ensayo a tracción directa. El trabajo se concluye con el desarrollo de un modelo numérico para la simulación del comportamiento de elementos de hormigón reforzado bajo cargas de tracción. La flexibilidad del modelo lo convierte en una herramienta flexible para la realización de un estudio paramétrico sobre las variables que influyen en el proceso de fisuración.

Durabilidad del hormigón frente a los ciclos hielo-deshielo. Evaluación de dos tipos de hormigón.

El presente trabajo estudia el comportamiento de dos hormigones frente al ensayo de resistencia al hielo-deshielo de hormigones endurecidos. La incorporación de un aditivo aireante mejora de forma sensible el comportamiento del hormigón frente a este ensayo. Sin embargo, en hormigón pretensado con cordón adherente está prohibido el uso de aditivos aireantes. Una estrategia adecuada es emplear humo de sílice para mejorar la impermeabilidad del hormigón. En este trabajo se compara el comportamiento de un hormigón con aditivo aireante y otro con humo de sílice frente al ensayo de resistencia al hielo-deshielo. Además, estudia la viabilidad de emplear técnicas alternativas de medida del deterioro superficial: modificación de la velocidad de pulso ultrasónico y medida de la deformación superficial con galgas extensométricas. Ambas técnicas se muestran viables y aportan ventajas frente al peso de la masa superficial desprendida por descascarillamiento

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.

Influencia de la adición de nano sílice en el hormigón autocompactante

En los últimos años es notable la proliferación de trabajos y estudios que tratan sobre las características del hormigón autocompactante. De ellos, la durabilidad es el aspecto menos tratado, siendo especialmente escasos los que se centran en un problema particular de esta durabilidad, como es la penetración de cloruros, un aspecto básico para todos los elementos estructurales sometidos a un ambiente marino. Esta será la línea básica del presente trabajo, que vendrá acompañada de otra serie de ensayo que permitan ratificar los resultados obtenidos. Debido a lo anteriormente expuesto, el objetivo general de esta investigación es estudiar la influencia de la adición de nano-sílice en aspectos tanto microestructurales como durables en hormigones autocompactantes. Dado que el objetivo general planteado es muy ambicioso y requiere tiempo y multitud de ensayos combinando numerosas variables, este trabajo de investigación se centra en los siguientes objetivos particulares dentro de la línea general de la investigación: Evaluar los cambios que se producen en las propiedades en estado fresco de los distintos hormigones ensayados; Evaluar los cambios que se producen en las propiedades mecánicas de los hormigones estudiados; Determinar los cambios de la matriz porosa de los distintos hormigones ensayados y determinar los cambios en los componentes hidratados de la matiz de cemento. Para cumplir con este objetivo, se ha procedido a comparar el comportamiento de cuatro tipos de hormigón con el mismo cemento: Un hormigón convencional sin adición, un hormigón autocompactante sin adición, un hormigón autocompactante con 2,5 % de adición de nano sílice y un hormigón autocompactante con 5 % de adición de nano sílice. Las etapas seguidas en este trabajo son las siguientes: Revisión bibliográfica relativa a los hormigones autocompactantes, y a la adición de nano-sílice.; Estudio y elección de las dosificaciones para los hormigones objeto de estudio: hormigón convencional, un hormigón autocompactante sin adiciones y hormigones autocompactantes con adición de nano-sílice; Evaluación de los hormigones, convencional y autocompactantes, en estado fresco en base a la normativa vigente y a las exigencias de la Instrucción del Hormigón Estructural (EHE-08); Evaluación de las propiedades mecánicas de los hormigones en estado endurecido mediante ensayo de resistencia a compresión; Caracterización microestructural de los hormigones mediante ensayos de porosimetría por intrusión de mercurio (PIM) y termoanálisis (TG-ATD); Evaluación del comportamiento de los hormigones frente a ensayos específicos enfocados a su durabilidad, como son los de resistividad eléctrica y de penetración de cloruros y estudio comparativo de los resultados obtenidos y establecimiento de relaciones entre la dosificación y el comportamiento de cada hormigón, de cara a poder fijar recomendaciones de uso.

Análisis de inestabilidades en materiales reforzados bidireccionalmente con aplicación en la biomecánica : la formación de aneurismas

Este trabajo analiza la influencia de parámetros mecánicos, desde la geometría y el modelo constitutivo (material de Holzapfel, que es una matriz neo-hookena reforzada bidireccionalmente con fibras de colágeno y elastina dispuestas de forma simétrica), en la bifurcación tipo abultamiento de cilindros huecos sometidos a presión interna y carga axial, relacionado con la formación de aneurismas en enfermedades cardiovasculares. Se valida una formulación analítica de las condiciones de bifurcación para cilindros de pared delgada sometidos al tipo de carga mencionado. Se analiza la influencia de los siguientes parámetros: dispersión de las fibras en cilindros de pared delgada, dispersión de las fibras en cilindros de pared gruesa, espesor de la pared del cilindro, orientación de las fibras, longitud del cilindro, imperfección geométrica y capas en el espesor. Los resultados muestran un acoplamiento entre los alargamientos circunferenciales y axiales para los que se produce la bifurcación. Se observa como este acoplamiento modifica cualitativamente y de forma relevante los resultados, existiendo una dependencia de estos a ambos valores.