Tesis:
Condicionantes que las altas temperaturas y el tipo de enfriamiento imponen al comportamiento mecánico del hormigón y a las posibilidades de ser reforzado con tejidos de fibra de carbono
- Autor: JIMÉNEZ SALADO, Borja
- Título: Condicionantes que las altas temperaturas y el tipo de enfriamiento imponen al comportamiento mecánico del hormigón y a las posibilidades de ser reforzado con tejidos de fibra de carbono
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE EDIFICACIÓN
- Departamentos: TECNOLOGIA DE LA EDIFICACION
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/74456/
- Director/a 1º: PRIETO BARRIO, María Isabel
- Resumen: La presente Tesis siembra una respuesta acerca de los condicionantes y los valores residuales que presenta un hormigón tras haber sido sometido a diferentes temperaturas, y la influencia que tienen en las prestaciones finales los parámetros que rigen el enfriamiento del citado hormigón, así como los condicionantes que el proceso anterior impone al hormigón para ser reforzado con tejidos unidireccionales de fibra de carbono.
El documento recoge un análisis del estado de la cuestión en el que se aportan los resultados obtenidos hasta la fecha por otros autores y las tendencias más repetidas en cuanto a las teorías existentes acerca del comportamiento del hormigón frente a diferentes incógnitas: temperaturas elevadas, su enfriamiento, el refuerzo de éste empleando fibra de carbono y la interacción entre los parámetros resultantes en las escasas ocasiones en las que se han analizado de manera conjunta algunas de ellas por parte de otros autores.
Otros aspectos han sido estudiados y analizados como, por ejemplo, la influencia del proceso y la velocidad a la que se incrementan las temperaturas durante el calentamiento y enfriamiento, o la relación de estos parámetros con el comportamiento mecánico a compresión o la deformación del hormigón. Además, la evolución de los materiales compuestos basados en fibra de carbono y resinas epoxi ha llevado a estos sistemas a ser ampliamente empleados en trabajos de rehabilitación de estructuras, por lo que se presentan también los últimos avances y desarrollos que las diferentes normativas y fabricantes aportan al abanico actual de soluciones.
El trabajo experimental realizado aporta una metodología para todo el proceso de calentamiento y enfriamiento, y trata de llenar el hueco existente acerca del conocimiento sobre la capacidad residual que un hormigón presenta tras estar sometido a un rango de temperaturas de entre 250 y 800 oC y ser enfriado de diferentes maneras, generando distintos tipos de tensiones internas en el hormigón, obteniendo con ello los resultados que se aportan como colofón a la investigación.
A modo de breve reseña, se han obtenido unos resultados que permiten indicar una disminución de las prestaciones del hormigón de al menos un 27 %, lo cual ocurre en la situación de calentamiento de la probeta a 250 oC y enfriamiento paulatino hasta alcanzar la temperatura ambiente. La pérdida de prestaciones se eleva hasta un 73 %, en la situación de calentamiento de la probeta a 400 oC y enfriamiento brusco mediante aspersión.
También se ha tratado de generar una metodología para temperaturas entre 500 y 800 oC, si bien se ha podido comprobar, como recoge parte de la bibliografía existente, que no es posible llevar a cabo unos procesos de calentamiento controlados sobre un hormigón convencional (sin prestaciones de alta resistencia ni con fibras incorporadas en su composición) sin que sufra daños irreparables que imposibiliten obtener valores de prestaciones mecánicas.
En una segunda fase, las probetas de hormigón previamente sometido a los procesos térmicos anteriores de calentamiento y enfriamiento fueron reforzadas con tejidos unidireccionales de fibra de carbono de diversos gramajes, por lo que ha sido posible determinar la capacidad de mejora que cada uno de estos tejidos aporta al hormigón tras haber sido sometido a cada temperatura y tipo de enfriamiento. En esta parte de la investigación se han obtenido resultados que demuestran el incremento en las prestaciones que genera este tipo de intervención en el hormigón, incluso con valores residuales del hormigón inferiores a los que parte de la bibliografía existente indica como mínimos.
También ha sido posible determinar la capacidad de recuperación que este tipo de intervención aporta al hormigón que previamente había sido ensayado a compresión. En todos los casos anteriores, los condicionantes que el hormigón impone a la posibilidad de ser reforzado han sido analizados junto a los resultados, obteniendo valores de resistencia a compresión, deformación (antes y después de los procesos térmico y de refuerzo), evolución de la masa del hormigón y gradientes resultantes en cada una de las fases entre otros.
Los resultados obtenidos como fruto de los trabajos antes descritos han sido comparados minuciosamente en dos frentes: el primero, con los expresados por otros autores; el segundo, con los valores que la normativa internacional más actualizada indica al respecto a través de su formulación. Además, los resultados anteriores se han valorado desde el punto de vista económico.
Por último, y con el objetivo de servir de base a futuras líneas de investigación, se presenta una propuesta de ideas cuya investigación ayudaría a contribuir a seguir aportando conocimiento al campo de la ingeniería en general, y de las estructuras de hormigón y su rehabilitación en particular.
ABSTRACT
The current Thesis provides an answer about the conditioning factors and residual values that a previously defined concrete presents after having been subjected to different temperatures, and the influence that the parameters that govern the cooling of that concrete have on the final performance, as well as the conditioning factors that the previous process imposes on the concrete to be reinforced with unidirectional carbon fiber fabrics.
The document contains an analysis of the state of the art in which the results obtained up to date by other authors and the most repeated tendencies in terms of the existing theories about the behaviour of concrete against different unknown facts: high temperatures, its cooling process, its reinforcement using carbon fiber and the interaction between the resulting parameters in the few occasions in which some of them have been analysed jointly by other authors.
Other aspects have been studied and analysed, such as, for example, the influence of the process and the rate at which temperatures increase during heating and cooling, or the relationship of these parameters with the mechanical behaviour in compression or deformation of the concrete. In addition, the evolution of composite materials based on carbon fiber and epoxy resins has led these systems to be widely used in structural refurbishment works, so the latest advances and developments that the different standards and manufacturers contribute to the current range of solutions are also presented.
The experimental work carried out provides a methodology for the whole process of heating and cooling and tries to fill the existing gap in the knowledge about the residual capacity that a defined concrete present after being subjected to a range of temperatures between 250 and 800 oC and being cooled in different ways, generating different types of internal stresses in the concrete, thus obtaining the results that are provided as the culmination of the research.
As a brief summary, the results obtained indicate a lesser decrease in the performance of the concrete of 27%, which occurs in the situation of heating the specimen to 250 oC and gradual cooling to room temperature. The previous loss of performance increases to a decrease of 73 %, obtained in the situation of heating the specimen to 400 oC and sudden cooling by spraying, until reaching the room temperature.
An attempt has also been made to generate a methodology for temperatures between 500 and 800 oC, although it has been verified, as shown in part of the existing bibliography, that it is not possible to carry out controlled heating processes on conventional concrete (without high strength performance or with fibers incorporated in its composition) without suffering irreparable damage that makes it impossible to obtain mechanical performance values.
In a second stage, the concrete previously subjected to the previous thermal processes of heating and cooling, was reinforced with unidirectional carbon fiber fabrics of different weights, so it has been possible to determine the capacity of improvement that each of these fabrics provides to the concrete after being subjected to each temperature and type of cooling. In this part of the research, results have been obtained that demonstrate the increase that this type of intervention generates in the concrete, even with residual values of the concrete lower than those that part of the existing bibliography indicates as minimum.
It has also been possible to determine the recovery capacity that this type of intervention provides to concrete that had previously been tested in compression. In all the previous cases, the conditioning factors that the concrete imposes on the possibility of being reinforced have been analysed together with the results, obtaining values of compressive strength, deformation (before and after the thermal and reinforcement processes), evolution of the concrete mass and resulting gradients in each of the phases, among others.
The results obtained as a result of the work described above have been thoroughly compared on two fronts: the first, with those expressed by other authors; the second, with the values that the most updated international standards indicate in this respect through their formulation. In addition, the above results have been evaluated from an economic point of view.
Finally, and with the aim of serving as a basis for future lines of research, some ideas of investigation are proposed that would help to continue contributing knowledge to the field of engineering in general, and of concrete structures and their refurbishment in particular.