Tesis:
Influencia de la disposición de anclajes de fibra de carbono en la resistencia al despegue de refuerzos adheridos en estructuras de hormigón
- Autor: CORTEZ FLORES, Ilsen Adriana
- Título: Influencia de la disposición de anclajes de fibra de carbono en la resistencia al despegue de refuerzos adheridos en estructuras de hormigón
- Fecha: 2020
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: FACULTAD DE INFORMATICA
- Departamentos: AEROTECNIA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/66071/
- Director/a 1º: FERNANDEZ GOMEZ, Jaime
- Director/a 2º: VILLANUEVA LLAURADÓ, Paula
- Resumen: El uso de materiales compuestos (FRP) para reparar y reforzar estructuras existentes de hormigón se ha incrementado considerablemente en los últimos tiempos convirtiéndose en una alternativa a los métodos tradicionales de refuerzo. Los sistemas de refuerzo de FRP suelen emplearse en estructuras de hormigón existentes que se consideran estructuralmente deficientes debido a un posible deterioro, errores en la concepción del diseño o en la ejecución, o a un aumento de cargas debido a cambios de uso de la estructura. Entre las múltiples aplicaciones de refuerzos de FRP en estructuras de hormigón destacan el confinamiento de pilares de hormigón (principalmente las de sección circular, donde adquiere la máxima eficacia), el refuerzo a flexión y cortante de vigas y los refuerzos a flexión de forjados tanto unidireccionales como bidireccionales. Se emplean tanto sistemas adheridos superficialmente como parcialmente embebidos en el soporte, siendo el primero el más utilizado. Además de poder utilizarse en una amplia gama de aplicaciones como refuerzo estructural, el FRP ofrece múltiples ventajas sobre las técnicas de refuerzo tradicionales. Los materiales de FRP son significativamente más ligeros que la mayoría de los materiales utilizados tradicionalmente como refuerzo, tienen una elevada resistencia a tracción y una buena durabilidad si la comparamos con la durabilidad del acero. Sin embargo, la eficacia de los refuerzos a flexión de FRP adheridos externamente se encuentra limitada por el fallo prematuro por despegue, el cual impide el aprovechamiento total de las propiedades del material. Esta limitación está contemplada en las diferentes normativas existentes para refuerzos de hormigón con FRP, que la expresan en términos de deformación máxima o de resistencia máxima de adherencia. Esto tiene como objetivo restringir la tensión de trabajo del FRP para prevenir el fallo por despegue. El modo de fallo por despegue ha sido reconocido como el más habitual en los refuerzos exteriores de FRP, por lo que diferentes investigadores han desarrollados métodos de ensayo y modelos de cálculo para estimar la resistencia de adherencia de la interfaz. La mayoría de los modelos incluyen también expresiones para calcular la longitud efectiva de transferencia de tensiones. Entendiendo por longitud efectiva a la longitud a partir de la cual, el incremento de la longitud adherida no produce un incremento en la resistencia. De esta forma puede estimarse la resistencia máxima de adherencia, aplicando coeficientes de minoración en los casos en los que la longitud adherida sea menor que la efectiva. Con el objetivo de retrasar o eliminar el fallo prematuro por despegue en elementos sometidos a flexión y cortante se han desarrollado múltiples sistemas de anclaje para refuerzos de FRP. Estos sistemas buscan incrementar la capacidad de transferencia de la interfaz cuando la longitud de adherencia es menor que la efectiva, o en su caso, aportar un mecanismo de transferencia de tensiones cuando no haya longitud de adherencia disponible para prolongar el refuerzo. Los sistemas de anclajes para refuerzos de FRP pueden clasificarse como: superficiales, embebidos o mixtos los cuales resultan de una combinación de los dos sistemas anteriores. Para definir cuál de las alternativas disponibles es la idónea, se deberá considerar la disponibilidad de superficie libre en los extremos del refuerzo y el modo de trabajo de los anclajes. Entre las diferentes alternativas de anclajes para refuerzos de FRP, destacan los anclajes de FRP, conocidos también como spike anchors, que, al ser fabricados con el mismo material del refuerzo, garantizan su compatibilidad tanto con el soporte como con el refuerzo, facilitando su instalación en diferentes elementos estructurales. La mayoría de las investigaciones relacionadas con anclajes de FRP hasta la fecha se han realizado con anclajes manufacturados por los propios autores a partir de tejidos de fibra enrollados. Alternativamente, pueden utilizarse anclajes fabricados a partir de cordones de fibra. En términos de fabricación e instalación los anclajes pueden clasificarse como: instalados en fresco y endurecidos o pre-impregnados. La principal diferencia entre estos sistemas de instalación es el momento en el cuál, el tramo de anclaje que será embebido en el soporte es impregnado respecto al momento de su instalación. Los esfuerzos para caracterizar el comportamiento de los anclajes de FRP han incluido ensayos de arrancamiento en conectores aislados, ensayos de corte en conectores aislados y principalmente ensayos de corte en refuerzos anclados. Los ensayos en conectores aislados permitieron identificar algunos parámetros que afectan la resistencia unitaria de los conectores. Entre estos parámetros los más críticos son la longitud embebida, el ángulo de inserción y el radio de doblado. Por otra parte, los ensayos con refuerzos anclados han revelado la influencia de diferentes parámetros geométricos relacionados con el soporte, el refuerzo y el anclaje. La presente tesis doctoral está conformada por dos fases experimentales que consistieron en la realización de ensayos de corte simple en refuerzos de FRP externamente adheridos y anclados, la primera en refuerzos estrechos con un único anclaje, y la segunda en refuerzos anchos con un único y múltiples anclajes. Las principales variables estudiadas son: la posición del anclaje respecto al extremo cargado, la disposición del tramo libre del anclaje y la influencia del ancho del refuerzo y el número de anclajes utilizados. En base a los resultados obtenidos se pudo establecer que la disposición de un anclaje permite resistir cargas de más del doble que las logradas con el mecanismo adherente en un refuerzo sin anclar. Se observó que tanto la posición del anclaje respecto al extremo cargado como la longitud adherida delante y detrás del anclaje afectan la carga máxima que el conjunto puede resistir. Por otra parte, disponer el tramo libre del anclaje entre dos capas de tejido no solo permite alcanzar resistencias de adherencia mayores sino también conseguir un modo de fallo más dúctil. Para refuerzos con un único anclaje, la contribución se ve reducida cuando se incrementa el ancho del refuerzo; lo que demuestra que existe un ancho máximo de lámina de FRP que puede ser anclado óptimamente con un único conector. En términos de aprovechamiento de las propiedades del material e incremento en la resistencia, usar un único conector en refuerzos estrechos puede ser equivalente a usar múltiples anclajes en refuerzos anchos de FRP, siempre y cuando se utilice una configuración adecuada de las demás variables involucradas en el comportamiento de refuerzos anclados. Con los resultados obtenidos en las fases experimentales y los existentes en la bibliografía se desarrolló un modelo empírico de cálculo que permite estimar la resistencia al despegue de refuerzos de FRP adheridos externamente y anclados con conectores de FRP, el modelo propuesto, considera los parámetros geométricos tanto del soporte, como del refuerzo y el anclaje involucrados en el comportamiento del conjunto. Se ha desarrollado una expresión que sirve como punto de partida para estimar la tensión de máxima en la interfaz FRP-soporte de refuerzos anclados cuando se utilizan anclajes de FRP. Finalmente, se propuso un modelo de elementos finitos para estudiar analíticamente el comportamiento de refuerzos con fibra de carbono adheridos externamente y anclados con conectores de FRP en soportes de hormigón. Para esto se replicaron los ensayos de corte simple realizados en la campaña experimental. Esta simulación sirvió además para evaluar la capacidad predictiva del modelo empírico propuesto utilizando los resultados obtenidos en la simulación para series que no fueron ensayadas experimentalmente, observándose una buena sensibilidad para los parámetros definidos como más influyentes en el comportamiento de refuerzos anclados con conectores de FRP con una buena precisión. ----------ABSTRACT---------- The use of fibre reinforced polymers (FRP) to strengthen and repair existing reinforced concrete structures has notably increased in recent years becoming an alternative to traditional reinforcement methods. FRP reinforcement systems are often used in existing concrete structures that are considered structurally deficient due to possible deterioration, misconception in the design, deficiencies during execution or increased loads due to changes in the use of the structure. The multiple applications of FRP reinforcements in concrete structures include the confinement of concrete columns (mainly the ones with circular section, with maximum efficiency), bending and shear reinforcement of beams and bending reinforcement of slabs. FRP reinforcements can be either applied as externally bonded or as near surface mounted reinforcements, being external solutions the most common application. In addition to being able to be used in a wide range of applications as structural reinforcement, FRP materials offer multiple advantages over traditional reinforcement techniques. FRP materials are significantly lighter than most materials traditionally used as reinforcement, have high tensile strength and good durability when compared to the durability of steel. However, the effectiveness of externally bonded FRP reinforcements is limited by premature delamination failure, which impedes the full exploitation of material properties. This limitation is contemplated in the different existing codes for concrete retrofitting with FRP and is usually expressed in terms of either maximum strain or maximum adhesion strength. This, with the objective of limiting the stress level of the FRP to prevent debonding failure. This failure mode has been recognized as the most common in FRP external reinforcements, so different researchers have developed test methods and calculation models to predict the bond strength of the interface. Most models also include expressions to estimate the effective bond length, which is defined as that from which the increase in the adhered length does not produce an increase in the joint strength. In this way the maximum adhesion strength can be estimated, applying reduction coefficients in cases where the bonded length is smaller than the effective one. With the aim of delaying or avoiding premature debonding failure in elements subjected to bend or shear, multiple anchoring systems have been developed for FRP reinforcements. These systems seek to increase the transfer capacity of the interface when the bonded length is smaller than the effective one, alternatively, they try to provide a stress transfer mechanism when there is no bonded length available to prolong the reinforcement. Anchoring systems for FRP reinforcements can be classified as: surface systems, embedded systems or mixed systems which result from a combination of the two previous ones. To define which of the available alternatives is the best suited one, the availability of free substrate at the ends of the reinforcement and the working mode of the anchors should be considered. Among the different alternatives of anchoring systems for FRP reinforcements the FRP anchors, also known as spike anchors, stand out since they are manufactured with the same fibre as the reinforcement, guaranteeing their compatibility with both substrate and reinforcement, simplifying their installation in different structural elements. Most experimental campaigns to date have been conducted with hand-made anchors from rolled fibre sheets. Alternatively, to these manufacturing systems, fibre ropes can be used. In terms of manufacture and installation, it is possible to distinguish between fresh installed anchors and precured anchors. The main difference between both systems is the moment in which the portion of sheet that will become the embedded region is impregnated and rolled with respect to the moment of anchor´s insertion. The efforts to characterize the anchor´s behaviour have included pull-out tests on isolated connectors, shear tests on isolated anchors and, chiefly, shear tests on anchored joints. Tests on isolated connectors allowed identifying some parameters that affect the strength of the anchors themselves. Among these parameters, the most critical are the embedded length, the dowel angle, and the bending radius. On the other hand, tests on anchored joints have revealed the influence of different geometrical parameters regarding the substrate, the reinforcement, and the anchor. The present PhD thesis has two experimental phases which consisted in single shear tests in anchored FRP externally bonded reinforcements, the first phase was performed in single anchored narrow FRP sheets and the second one in single and multiple anchored wide FRP sheets. The main variables considered in this phase were: the position of the anchor with respect to the loaded end of the joint, the arrangement of the free section of the anchor and the influence of the reinforcement width and the number of anchors employed. Based on the results obtained, it was possible to establish that the presence of spike anchors enhances the joint performance, reaching peak loads of more than twice the bond strength of an unanchored joint. It was also possible to observe that the anchor position with respect to the loaded end, as well as the adhered length in front of and behind the anchor affect the maximum load that the anchored joint can bear. On the other hand, expanding the anchor fan between two reinforcement plies not only allows the joint to resist higher loads but also produces a more ductile failure mode. For single anchored FRP reinforcements, the anchor contribution to the strength reduces with an increase in the reinforcement width, being possible to determine that there exists a maximum FRP width that a single connector can optimally anchor. In terms of materials usage and strength increase, using a single connector in narrow FRP reinforcements can be equivalent to use multiple anchors in wide FRP reinforcements as long as an appropriate configuration of the other parameters involved in the behaviour of anchored joints is used. With the results obtained in the experimental phases and the ones existing on the literature, a calculation model was developed to estimate the bond strength of FRP externally bonded reinforcements anchored with FRP connectors. This model considers the geometric parameters related to the support, the reinforcement and the anchor involved in the behaviour of the anchored joint. An expression is proposed, which serves as a starting point to estimate the maximum adhesion strength of anchored reinforcements and can be readjusted in future research that includes new experimental results which will allow an improvement in the estimation accuracy. Finally, a finite element model was proposed to analytically study the behaviour of externally bonded carbon fibre reinforcements anchored with FRP connectors to concrete supports. For this, the single shear tests carried out in the experimental campaign were replicated. This simulation also served to assess the adequacy of the proposed model proposed by using the results obtained in the simulation for the series that were not experimentally tested, observing accuracy enough and a good sensitivity for the parameters defined as most influential in the behaviour of reinforcements anchored with FRP connectors.