Influencia de diferentes variables en el comportamiento a flexión de secciones de hormigón armado reforzadas con materiales compuestos
RESUMEN La solución de refuerzo de elementos estructurales de hormigón armado mediante la incorporación de chapas de acero o laminados de materiales compuestos (FRP) adheridos a la superficie mediante adhesivos que garanticen con fiabilidad la unión para el desarrollo de la acción compuesta, viene siendo empleada de forma sistemática para el refuerzo de secciones en flexión desde hace décadas. Como consecuencia de lo anterior, tal y como se recoge en el Capítulo 2 en el que se define la revisión histórica de las líneas de investigación existentes, son múltiples las investigaciones que se han desarrollado tanto a nivel teórico como empírico para intentar dar luz al establecimiento de modelos de comportamiento con la fiabilidad requerida para el empleo estructural de esta técnica de refuerzo especialmente para el empleo de CFRP. La mayoría de estos estudios han abordado el estudio del comportamiento de la unión con objeto de poder concretar el mecanismo de fallo de las secciones reforzadas conocido como “peeling”, pérdida repentina de la adherencia entre el laminado y el hormigón, por tratarse de una rotura frágil que conduce a que el elemento reforzado no alcance su carga última. De manera adicional hay que destacar que hasta la fecha existen guías y recomendaciones de diseño que facilitan la aplicación de los laminados si bien no se trata de normas ya que todavía existen muchas cuestiones abiertas. Como ejemplo de estas lagunas indicar que no hemos encontrado estudios sistemáticos sobre la influencia que diferentes variables relativas al elemento que se refuerza pueden tener, tanto en el comportamiento del refuerzo, como incluso, en las limitaciones iniciales que podrían impedir considerar como viable implementar estas soluciones de refuerzo. A partir de lo anterior los objetivos, descritos en el Apartado 3, que se han planteado en el desarrollo de esta investigación han sido en primer lugar la definición de un método de análisis a nivel teórico, cuya utilización sea viable en la práctica, para dimensionar y comprobar secciones y elementos simples de hormigón armado solicitados a flexión reforzados con materiales compuestos adheridos a la superficie de la pieza. A partir de lo anterior como segundo objetivo se ha investigado, mediante el modelo desarrollado y tarado, la influencia de las variables cuantía original de la pieza y nivel de solicitación existente en la pieza previamente a su refuerzo. Como se recoge en el Apartado 4, la metodología seguida ha consistido en que una vez definido y tarado el modelo, se ha planteado un estudio paramétrico, que una vez desarrollado, nos ha permitido analizar los resultados con el fin de establecer las conclusiones y líneas de investigación futuras. Para poder definir el modelo que se recoge en el Apartado 5 los aspectos que han condicionado la definición del mismo han sido la necesidad de limitar la capacidad máxima de refuerzo, el establecimiento de modelos de comportamiento de los materiales, evaluar la deformación en la armadura original de la pieza en el momento de ser reforzada, la necesidad de analizar la sección reforzada para los E.L.U y E.L.S y por último la determinación de la ley de tracciones en la armadura de refuerzo para a partir de ellas evaluar las tensiones tangenciales en el contacto entre la pieza y el laminado del refuerzo, estableciendo criterios adecuados para su limitación. Definido el modelo, en el Apartado 6 se indica el tarado realizado para comprobar si sus resultados se ajustan a la realidad experimental de los correspondientes a los ensayos. Para llevar a cabo dicho tarado se ha hecho uso de dos fuentes distintas. En primer lugar se ha realizado un Programa Experimental específico para esta investigación que ha consistido en el ensayo de 3 vigas de hormigón armado reforzadas con laminados, las cuales se ensayaron en el Laboratorio Central del Instituto Técnico de Materiales, INTEMAC, ubicado en Torrejón. Además se ha hecho uso de la campaña experimental llevada a cabo por la Dra. Oller E en el Laboratorio de Tecnología de Estructuras de la Universidad Politécnica de Cataluña y cuyos datos están recogidos en la publicación de su Tesis Doctoral. Una vez realizado el ajuste del modelo a los resultados experimentales el estudio paramétrico se ha planteado sobre vigas correspondientes a estructuras usuales de edificación reforzadas con laminados CFRP, de manera que se contemplen las variables básicas indicadas en los objetivos que han sido la cuantía de la sección original y el nivel de deformación del acero original en el momento de procederse al refuerzo. Tal y como se indica en el Apartado 7 el número total de casos analizados en la presente investigación ha sido de 202 cuya resolución teórica de acuerdo al modelo numérico, implementado en una hoja excell, se recoge en el Apartado 8. Una vez desarrollado el estudio paramétrico pasamos a analizar los resultados obtenidos, de manera que considerando los objetivos planteados, los aspectos objeto de análisis pormenorizado han sido la influencia que el nivel de solicitación previo del elemento y la cuantía de la sección original tienen en el área de material de refuerzo, la capacidad resistente de la sección reforzada, las tensiones en servicio en el acero de la sección original, las curvaturas de las secciones reforzadas en agotamiento y las tensiones tangenciales en la interface de contacto entre el soporte y material de refuerzo. En el apartado 9 se recogen las conclusiones alcanzadas, indicándose entre otros aspectos los niveles de refuerzo máximos admisibles, la influencia del nivel de solicitación inicial en la no verificación de la limitación de las tensiones en servicio para el acero original si el nivel de refuerzo es alto, la poca influencia de la solicitación inicial en el nivel de refuerzo alcanzado, la no correspondencia entre la limitación tangencial establecida por Fib Bulletin con objeto de evitar el despegue y la limitación establecida por ACI 440.2R, así como la fuerte dependencia del valor de la tensión tangencial con el nivel de cuantía y la baja dependencia de dicho valor con el nivel de solicitación inicial. Además se han establecido conclusiones en términos de la fuerte reducción de la curvatura en agotamiento respecto de la sección original para las secciones reforzadas junto a la poca influencia del nivel de solicitación en este aspecto. Por último en el Apartado 10 se han definido las líneas de investigación futuras que quedan abiertas a partir de los resultados obtenidos en el presente trabajo de investigación. SUMMARY The strengthening of reinforced concrete structural members with externally bonded steel or fibre-reinforced polymer plates using adhesives that reliably guarantee the bond and ensure the effectiveness of the combined action is a solution that has been systematically used for decades to fortify sections subjected to bending stress. Consequently, as discussed in Chapter 2 on the historic review of the existing lines of research, many theoretical and empirical studies have been conducted to attempt to establish behavioural models for this technique, sufficiently reliable to be used in structural engineering, particularly for the use of CFRPs. Most of this research has addressed bond behaviour with a view to acquiring a fuller understanding of peeling. Since this de-bonding mechanism, consisting in the sudden loss of adherence between the plate and the concrete, involves brittle fracture, the member does not attain its ultimate load. The design guides and recommendations presently in place to facilitate the use of such materials have not been raised to status of standards due to the many issues that have yet to be settled. One such gap in present knowledge is the lack of systematic studies of the possible impact of the different variables associated with the member to be retrofitted on the behaviour of the external plating, or even on the initial limitations that may rule out the viability of such a solution. In light of the foregoing, the first of the two chief objectives of the present study – set out in Chapter 3 – was the definition of a theoretical analytical method usable for the practical dimensioning and verification of single reinforced concrete sections and members subjected to flexural stress to be externally bonded with composite materials. The second aim was to use the model developed and calibrated to explore the effects of the original steel ratio in and existing stress on the member on the model results. The general outline of the research, set out in Chapter 4, consisted in conducting a parametric study with the model defined and calibrated, analyzing the results, drawing the conclusions and establishing future lines of research. The questions that conditioned the definition of the model, described in Chapter 5, were: the need to limit the maximum strengthening capacity; the establishment of behaviour models for the materials used; the evaluation of the strain on the original reinforcement before remedial action is taken; the need to find the ultimate limit and serviceability limit states for the section to be plated; and lastly the determination of the law governing the tensile stress on the initial reinforcement to then assess the shear stress at the interface between the member and the plating and ultimately establish suitable criteria to limit such forces. Chapter 6 describes how the model was calibrated to check whether the results concurred with experimental findings. A specific experimental programme was conducted for this purpose, consisting in testing three externally bonded reinforced concrete beams. The tests were run at the Instituto Técnico de Materiales, INTEMAC, Central Laboratory in Torrejón, Madrid. Data were also drawn from the experimental campaign conducted by Dr Oller E at the Polytechnic University of Catalonia’s Structure Technology Laboratory for her PhD thesis. After the model was adjusted to the experimental results, a parametric study was conducted on beams used in standard building construction and retrofitted with CFRP. The study addressed the basic variables specified in the objectives, namely the steel ratio in the original section and the strain on the initial steel prior to external bonding. The 202 cases analyzed are discussed in Chapter 7. The solutions found with the model are summarized in the Excel table in Chapter 8. In the subsequent detailed analysis of the results of the parametric study, the issues considered were the effect of the existing stress and the steel ratio in the original member on the area of the plating material; the load carrying capacity of the reinforced member; the service load on the original section; the curvatures under fatigue loading in the reinforced members; and the shear stress at the interface between the member surface and the external bonding material. Chapter 9 describes the conclusions reached, specifying among others the maximum allowable levels of reinforcement; the effect of the initial stress level on the inability to limit the service stress on the initial steel if substantial strengthening is required; the minor effect of the initial stress on the strengthening level found; the lack of concurrence between the shear stress limitation laid down in the fib Bulletin to prevent de-bonding and the limitation established in ACI 440.2R; the heavy dependence of the shear stress value on the steel ratio and the minor dependence of that value on the initial stress level. Conclusions were also drawn regarding the steep reduction of curvature under fatigue loading in the strengthened sections compared to the original sections and the minor effect of stress on this development. Lastly, Chapter 10 defines future lines of research to be explored on the grounds of the results obtained in the present study.
Ingeniería Civil y de la Construcción, Materiales
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