Tesis:
Estudio del comportamiento del refuerzo con CFRP de pilares rectangulares de hormigón armado basado en ensayos a escala real
- Autor: CASTRO QUISPE, Viviana Jacqueline
- Título: Estudio del comportamiento del refuerzo con CFRP de pilares rectangulares de hormigón armado basado en ensayos a escala real
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: MECANICA DE MEDIOS CONTINUOS Y TEORIA DE ESTRUCTURAS
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76765/
- Director/a 1º: DIEGO VILLALÓN, Ana de
- Director/a 2º: LEÓN GONZÁLEZ, Francisco Javier
- Resumen: En este trabajo se estudia el comportamiento bajo compresión axial pura de pilares de hormigón armado de secciones cuadradas y rectangulares reforzados con material compuesto de tipo CFRP. En primer lugar, se llevó a cabo el estudio del estado de conocimiento, que evidenció la falta de campañas experimentales sobre prototipos a escala real, hecho debido a la complejidad de los fenómenos y de los propios ensayos, así como a la falta de los medios necesarios en muchos laboratorios. Además, la mayoría de los modelos de di-seño existentes se basan en ensayos de probetas de sección circular y escala reducida. Aunque es conocido que el refuerzo por confinamiento es menos eficaz en pilares de sección cuadrada o rectangular, no está bien establecida la influencia de parámetros como la relación de lados h/b o el radio del redondeo de las esquinas Rc.
Para abordar estas lagunas, en este estudio se ha desarrollado una extensa campaña experimental de 23 pilares de hormigón armado a escala real con altura H de 2,4 m, reforzados con diferentes cuantías de refuerzo (1, 2 y 3 capas de CFRP con espesor de 0,129 mm por capa), con sección transversal cuadrada y rectangular (h/b =1, h/b =1,5 y h/b = 2), y dos radios de redondeo de las esquinas (Rc= 20 mm y Rc= 40 mm). Dentro del conjunto de ensayos se incluyeron 3 pilares de sección circular para comparar la eficacia del refuerzo en términos de resistencia y deformación axial. El hormigón es de resistencia relativamente baja, alrededor de 20 MPa.
A partir de los resultados experimentales se ha probado que el confinamiento mediante camisas de CFRP permite mejorar significativamente tanto la capacidad resistente como la deformación de pilares de hormigón armado de sección cuadrada y rectangular cuyas es-quinas se redondeen con carácter previo a la ejecución del refuerzo. Las variables más im-portantes que aseguran la eficacia resistente y ductilidad son la relación de lados (h/b), elradio de curvatura de las esquinas (Rc) y la cuantía de refuerzo (pFRP). La eficacia del re-fuerzo disminuirá cuando aumente la relación de lados, se reduzca significativamente el radio de redondeo y disminuya también la cantidad de refuerzo.
En este estudio, se han recopilado los datos experimentales disponibles en la bibliografía de pilares de hormigón armado con secciones cuadradas y rectangulares confinados con una variedad de cuantías pFRP. Se han comparado los resultados experimentales de otros autores y los de esta tesis con los principales modelos de cálculo y cuatro guías internacionales de proyecto (ACI, fib, CNR y TR55), poniéndose de manifiesto que la mayoría de los modelos existentes y las guías no predicen bien la resistencia y deformación máximas. Mientras los modelos consideran que el confinamiento es eficaz sólo si la respuesta tensión-deformación es ascendente, en este trabajo se ha comprobado que con curvas descendentes se pueden obtener mejoras importantes en resistencia a la compresión y, sobre todo, deformación. Se ha observado y cuantificado el incremento de ductilidad que en estudios anteriores no se ha tenido en cuenta.
Se ha propuesto un nuevo modelo de análisis para pilares de sección cuadrada y rectangular que incluye los parámetros geométricos de estudio, el confinamiento por los cercos (no incluido en las guías existentes) y un factor que considera la resistencia del hormigón inicial. Con el nuevo modelo se pueden predecir dos posibles respuestas tensión-deformación, ascendente y descendente y calcular los valores de fcc, fccu, ECC, ECCUcon expresiones muy simples.
Finalmente se ha realizado una comparación teórico experimental con los valores experimentales de este estudio y los recopilados de la bibliografía que muestran que los resulta-dos utilizando el nuevo modelo propuesto en esta tesis son considerablemente mejores que los obtenidos con anteriores modelos y guías de proyecto vigentes.
ABSTRACT
In this work, the behaviour under pure axial compression of reinforced concrete columns of square and rectangular cross-sections strengthened using CFRP composite material has been studied. First of all, a study into the state of knowledge was carried out, which revea-led the lack of experimental series on full scale prototypes, due to the difficulty of perfor-ming the experiments, as well as the limited means available in many laboratories. Furt-hermore, the large part of the existing design models is based on tests on small-scale cir-cular specimens. While it is known that confinement reinforcement is less effective in square or rectangular columns, the influence of parameters such as the aspect ratio h/b or the corner rounding radius Rc is not overly established.
To address these issues, an extensive experimental study involving 23 full-scale reinforced concrete columns with height H of 2.4 m, strengthened with different amounts of reinfor-cement (1, 2 and 3 layers of CFRP with a thickness of 0.129 mm per layer), with square and rectangular cross-sections (h/b = 1, h/b = 1.5 and h/b = 2), and two corner rounding radii (Rc = 20 mm and Rc = 40 mm) has been carried out in this study. Within the test progra-mme, 3 circular section columns were included to compare the effectiveness of the rein-forcement in terms of strength and axial strain. The concrete is of relatively low strength, around 20 MPa.
The experimental results show that confinement with CFRP jackets significantly improves both the strength and strain of square and rectangular reinforced concrete columns with rounded corners before the strengthening is applied. The most important variables that ensure strength efficiency and ductility are the aspect ratio (h/b), the radius of curvature of the corners (Rc) and the amount of reinforcement (pFRP). The effectiveness of the rein-forcement decrease when the aspect ratio increases, while the rounding radius decreases significantly, and the amount of reinforcement similarly experiences a drop.
In this study, the experimental data available in the literature for reinforced concrete co-lumns with square and rectangular cross-sections confined with a variety of CFRP amounts (pFRP) have been compiled. The experimental results of other authors and those of this thesis have been compared with the main design models and four international design guides (ACI, fib, CNR and TR55), showing that most of the existing models and guides do not suitably predict the maximum strength and strain. While the models consider that confi-nement is effective only if the stress-strain behaviour is ascending, this work shows that with descending curves, significant improvements in compressive strength and, especially, strain can be obtained. The increase in ductility, which has not been taken into account in previous studies, has been observed and quantified.
A new analysis model has been proposed for square and rectangular cross-section columns that includes the geometrical parameters of study, the confinement by the stirrups (not included in the existing guides) and a factor that takes into account the unconfined con-crete strength. With the new model, two possible stress-strain responses, ascending and descending, can be predicted meaning the values of fcc, fccu, ECC, ECCUmay be calculated with very simple equations.
Finally, a theoretical experimental comparison has been undertaken with the experimental values of this study and those compiled from the literature showing that the results using the new model proposed in this thesis are considerably better than those obtained with previous models and current project guidelines.