Tesis:
Design, characterization, and testing of high-performance fibre reinforced concrete girders for road bridges
- Autor: RUIZ MAESTRE, Rafael
- Título: Design, characterization, and testing of high-performance fibre reinforced concrete girders for road bridges
- Fecha: 2024
- 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/81029/
- Director/a 1º: CORRES PEIRETTI, Hugo
- Director/a 2º: TODISCO, Leonardo
- Resumen: High and ultra high-performance steel fibre reinforced concrete (HPFRC and UHPFRC, respectively) exhibit potential for widespread application in bridge construction. These materials enable the use of increased prestressing levels, potentially resulting in a substantial reduction in the amount of concrete and mild steel reinforcement required. This material-saving feature is complemented by a notable enhancement in durability properties compared to conventional concrete. However, despite these potential advantages, the utilization of these materials in bridge construction remains uncommon.
In this context, the Universidad Politécnica de Madrid, in collaboration with ACCIONA's Construction Technology Centre, undertook a research project to explore the application of these materials in the construction of bridges. This thesis is the first result of this collaborative effort.
As first stage, a comprehensive review of the state-of-the-art was coupled with the expertise in bridge design possessed by the research team. This led to the development of different sound structural solutions for girder bridges made of HPFRC and UHPFRC. Subsequently, a 60-metre-span U-girder constructed from HPFRC was chosen as the most promising application for road bridges. Specifically, this U-girder comprised three segments prestressed by unbonded tendons, without the need for conventional shear reinforcement, thanks to the fibre's contribution to shear strength. ACCIONA's Special Concrete Team developed an economically viable HPFRC that met both performance and cost criteria. In fact, it showed a compressive strength of 100-120 MPa and a residual flexural strength ranging from 8 to 10 MPa, not exceeding three times the cost of conventional concrete. This achievement was made possible through a combination of a coarse aggregate fraction, a high content of long steel fibres, and a moderate amount of cement and silica fume.
The second stage focused on addressing the constructability challenges associated with the U-girder. The absence of vertical stirrups in the webs made the formation of a weak plane unacceptable. Therefore, a specific experimental campaign was carried out to investigate the impact of the waiting time between casting successive layers and the distribution of fibres on the performance of HPFRC while adhering to conventional construction techniques.
The third stage of this thesis was dedicated to the evaluation of the shear strength of U-beams without stirrups with unbonded tendons, combining theoretical analysis with experimental observations. Specifically, a comparison of established code provisions with experimental data drawn from technical literature revealed a significant underestimation of shear strength in such structural elements. This finding prompted a detailed experimental investigation that focused on eight HPFRC I-beams without stirrups and featuring different levels of prestressing. Digital image correlation was employed to capture the exact kinematics of the cracks and, consequently, to gain insights into the various shear-transfer mechanisms influencing shear strength.
In conclusion, this research explored the substantial advantages of cost-affordable HPFRC, with the potential to transform bridge construction practices. This investigation has been conducted in a comprehensive approach, combining conceptual considerations, material development, and experimental testing. Nevertheless, the broader adoption of these materials in bridge construction may require overcoming practical challenges and reevaluating existing standards.
RESUMEN
El hormigón de altas, o muy altas prestaciones, reforzado con fibras metálicas (HPFRC o UHPFRC según sus siglas en inglés) muestran un alto potencial para su aplicación generalizada en la construcción de puentes. Estos materiales permiten el uso de elevados niveles de pretensado, y reducir la cuantía de acero y hormigón empleados. Este ahorro de material se complementa con una mejora notable en las propiedades de durabilidad en comparación con el hormigón convencional. Sin embargo, a pesar de estas ventajas, la utilización de estos materiales en la construcción de puentes sigue siendo poco común.
En este contexto, la Universidad Politécnica de Madrid, en colaboración con el Centro Tecnológico de Construcción de ACCIONA, llevó a cabo un proyecto de investigación para explorar la aplicación de estos materiales en la construcción de puentes. Esta tesis es el primer resultado de este esfuerzo colaborativo.
En la primera etapa se realizó una revisión exhaustiva del estado del arte desde la experiencia en el diseño de puentes que posee el equipo de investigación. Este análisis condujo al desarrollo de diferentes soluciones estructurales para puentes de vigas de HPFRC y UHPFRC. Posteriormente, se eligió una viga artesa de 60 metros de longitud construida con HPFRC como la aplicación más prometedora para puentes de carretera. En particular, esta viga artesa estaba compuesta por tres segmentos pretensados con tendones no adheridos, y no presentaba refuerzo a cortante convencional, gracias a la contribución de las fibras a la resistencia a cortante. El Equipo de Hormigones Especiales de ACCIONA desarrolló un HPFRC que cumplía con los criterios de rendimiento mecánico y coste. De hecho, mostraba una resistencia a la compresión de 100-120 MPa y una resistencia a flexión residual que oscilaba entre 8 y 10 MPa, sin superar tres veces el costo del hormigón convencional. Este logro fue posible gracias a la combinación de una fracción de árido grueso, un alto contenido de fibras de acero largas y una cantidad moderada de cemento y humo de sílice.
La segunda etapa se centró en abordar los desafíos constructivos asociados con la viga artesa. La ausencia de cercos verticales en el alma hacía inaceptable la formación de una junta fría. Por lo tanto, se llevó a cabo una campaña experimental específica para investigar el impacto del tiempo de espera entre el hormigonado de tongadas sucesivas, siguiendo técnicas de construcción convencionales, y la distribución de las fibras en el comportamiento del HPFRC.
La tercera etapa de esta tesis se dedicó a la evaluación de la resistencia a cortante de vigas artesa sin cercos con pretensado no adherido, contrastando un análisis teórico con observaciones experimentales. Específicamente, una comparación entre las estimaciones de diferentes normativas con resultados experimentales objetidos de la literatura técnica reveló una subestimación significativa de la resistencia a cortante en estos elementos estructurales. Este hallazgo motivó una campaña experimental detallada que se centró en ocho vigas doble T de HPFRC sin cercos y con diferentes niveles de pretensado. Se utilizó la correlación de imágenes digitales para capturar la cinemática exacta de las fisuras y, utilizando dicha información, obtener las contribuciones de los diferentes mecanismos de transferencia de cortante que influyen en la resistencia al cortante.
En conclusión, esta investigación exploró las ventajas de un HPFRC asequible economicamente, con el potencial de transformar las prácticas habituales de construcción de puentes. Esta investigación se llevó a cabo de una manera integral, combinando consideraciones conceptuales, desarrollo de materiales y ensayos experimentales. Sin embargo, la adopción más amplia de estos materiales en la construcción de puentes podría requerir superar desafíos prácticos y reevaluar normas existentes.