Tesis:
Optimización de dosificaciones de hormigones de ultra altas prestaciones reforzados con fibras (UHPFRC) y aplicaciones como material de refuerzo sísmico = Dosage optimization and seismic retrofitting applications of Ultra-High-Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC)
- Autor: ABELLÁN GARCÍA, Joaquín
- Título: Optimización de dosificaciones de hormigones de ultra altas prestaciones reforzados con fibras (UHPFRC) y aplicaciones como material de refuerzo sísmico = Dosage optimization and seismic retrofitting applications of Ultra-High-Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPFRC)
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: FACULTAD DE INFORMATICA
- Departamentos: AEROTECNIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/66122/
- Director/a 1º: FERNANDEZ GOMEZ, Jaime
- Director/a 2º: TORRES CASTELLANOS, Nancy
- Resumen: Several structures and constructions situated in earthquake-prone areas were designed and built following old earthquake-resistant building codes and do not obey current seismic regulations. Furthermore, in developing nations located in earthquake-prone areas, this situation is aggravated by the existence of a very widespread informal construction. These circumstances require effective seismic retrofitting interventions by means of solutions of the acceptable cost that allow the widest application. Colombia, where this Ph.D. thesis was developed, is a clear example of the latter. Colombia is a seismically active country and has a large seismic risk in many areas of its territory due to its location at the boundaries of several tectonic plates. Moreover, according to different researches, it is estimated that about 80% of the buildings in the city of Bogotá were built without meeting any seismic regulation. If this happens in the capital of the country, it is easy to extrapolate that it also happens in the rest of Colombia. On the other hand, ultra-high-performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) is an advanced construction material that provides new opportunities in the construction industry around the world. Among those new applications, rehabilitation, and seismic retrofitting of existing damaged or non-ductile concrete structures can be highlighted. The main objective of this Ph.D. is to optimize a UHPFRC mixture, developed with the highest proportion of Colombian raw materials and under minimum cost criteria, to achieve the ductility requirements for seismic retrofitting applications in the country. The research thesis is developed in different phases. First, the UHPC without fibers is optimized, selecting the components under the criteria of minimum cement content, without using quartz powder and with a silica fume content limited to 100 kg/m3, reaching resistance at 28 days equal to or greater than 150 MPa and keeping the concrete in the self-compacting range. In the second phase, once the UHPC is mixture optimized, the objective consisted of determine the binary mixture of fibers, from among steel (normal and high-strength) and polymeric fibers available in the local market, that allow achieving the necessary characteristics for the application of seismic reinforcement material at a lower cost. Energy capacity absorption (g) and strain capacity at maximum tensile strength (εpc) were the parameters used to verify the ductility properties necessary for the seismic retrofitting applications of UHPFRC. Several statistical and computational tools such as Design of Experiments, artificial neural networks, response surface methodology, main effect plots, and multi-objective optimization were used to reduce the number of trials needed in the optimization and perform effective analysis. Lower final cost and cement content was achieved when blending micro-limestone powder (d50= 2.1 μm) and recycled glass flour (d50= 28 μm) as partial substitution of cement and silica fume. An optimal mixture was designed to reach a 150 MPa 28-day compressive strength with only 590 kg/m3 of cement and 100 kg/m3 of silica fume, providing an ultra-high-performance concrete which incorporates by-products in its dosage. Finally, the optimal blending of fibers for achieving the necessary properties for seismic retrofitting applications (i.e., g≥50 kJ/m3 and εpc≥0.3%), when using the previously optimized UPHC mixture, was 0.34% of high-strength steel straight (lf/df =65) fibers in addition to 1.36% of normal strength hooked end steel fibers (lf/df =80). Totalizing a total volume fiber fraction on 1.7%. This mixture outperforms the ductility parameters obtained by other authors with successful applications in seismic retrofitting of reinforced concrete structures, which reaffirms its value for the desired application. ----------RESUMEN---------- Varias estructuras y construcciones ubicadas en áreas propensas a terremotos fueron diseñadas y construidas siguiendo antiguos códigos de construcción sismo resistentes y no obedecen las regulaciones sísmicas actuales. Además, en los países en desarrollo ubicados en áreas propensas a terremotos, esta situación se ve agravada por la existencia de una muy extendida construcción informal. Estas circunstancias requieren intervenciones efectivas de reforzamiento sísmico mediante soluciones de costo aceptable que permitan una amplia aplicación. Colombia, donde se desarrolló la presente tesis doctoral, es un claro ejemplo de esto. Se trata de un país sísmicamente activo, con un elevado riesgo sísmico en muchas zonas de su territorio debido a su ubicación en los límites de varias placas tectónicas. Además, según diferentes investigaciones, se estima que alrededor del 80% de las edificaciones de la ciudad de Bogotá se construyeron sin cumplir con ninguna regulación sísmica. Si esto sucede en la capital del país, es fácil extrapolar que también ocurre en el resto de Colombia. Por otro lado, el hormigón de ultra alto desempeño reforzado con fibras (UHPFRC) es un material avanzado que brinda nuevas oportunidades en la industria de la construcción en todo el mundo. Entre esas nuevas aplicaciones, se pueden destacar la rehabilitación y el reforzamiento sísmico de estructuras existentes de hormigón no dúctiles, o con determinado grado de deterioro. El principal objetivo de la presente investigación doctoral consistió en optimizar una dosificación de UHPFRC, desarrollada con la mayor proporción de materias primas colombianas y bajo criterios de costo mínimo, capaz de lograr los requisitos de ductilidad necesarios para aplicaciones de reforzamiento sísmico en el país. La tesis de investigación se desarrolla en diferentes fases. Primero, se optimiza el hormigón de ultra alto desempeño sin fibras (UHPC), seleccionando los componentes bajo los criterios de contenido mínimo de cemento, sin utilizar polvo de cuarzo y con un contenido de humo de sílice limitado a 100 kg/m3, que sea capaz de alcanzar una resistencia a los 28 días igual o superior a 150 MPa, manteniendo el flujo del hormigón en el rango que lo defina como autocompactante. En la segunda fase, una vez optimizada la mezcla de UHPC, el objetivo consistió en determinar la mezcla de fibras, considerando las fibras de acero (de resistencia normal y de alta resistencia) y fibras poliméricas disponibles en el mercado local, que permitan alcanzar las características necesarias para la aplicación de material para refuerzo sísmico a menor costo. La capacidad de absorción de energía (g) y la capacidad de deformación bajo máxima resistencia a la tracción (εpc) fueron los parámetros utilizados para verificar las propiedades de ductilidad necesarias para las aplicaciones del UHPFRC como material de refuerzo sísmico de estrucutras. Se utilizaron diferentes herramientas estadísticas y computacionales, como Diseño de Experimentos, redes neuronales artificiales, metodología de superficie de respuesta, gráficos de efectos principales y optimización multiobjetivo, tanto para reducir el número de ensayos necesarios en la optimización, como para realizar análisis efectivos. En relación con la optimización de la matriz de UHPC se determinó que el menor costo final y el menor contenido de cemento se logró al mezclar micro-carbonato cálcico (d50 = 2.1 μm) y polvo de vidrio reciclado (d50 = 28 μm) como sustitución parcial de cemento y humo de sílice. De esta forma, se diseñó una dosificación óptima para alcanzar una resistencia a la compresión de 150 MPa a 28 días, con sólo 590 kg/m3 de cemento y 100 kg/m3 de humo de sílice, proporcionando un hormigón de ultra alto desempeño que incorporó subproductos en su dosificación. Finalmente, la mezcla óptima de fibras para lograr las propiedades necesarias para aplicaciones de reacondicionamiento sísmico (es decir, g≥50 kJ/m3 y εpc≥0.3%) utilizando como matriz cementante la mezcla de UPHC previamente optimizada, fue de un 0.34% de fibra recta de acero de alta resistencia (lf/df = 65) junto a un 1.36% de fibras con extremos en forma de gancho de acero resistencia normal (lf/df = 80). Totalizando una fracción de volumen total de fibra utilizada de 1.7%. Esta mezcla superó los parámetros de ductilidad obtenidos por otros autores con aplicaciones exitosas en el reforzamiento sísmico de estructuras de hormigón armado, lo que reafirma su valor para la aplicación deseada.