Estudio teórico-experimental de vigas de hormigón armado reforzadas externamente a cortante mediante materiales compuestos de matriz polimérica insertados en el recubrimiento

摘要

Por múltiples razones, cada día es más frecuente tener que recurrir al refuerzo de estructuras: errores en el proyecto, ejecución o conservación; necesidad de adaptarse a nuevas cargas por cambio de uso; deterioro del patrimonio histórico o, simplemente, construido; accidentes o fallos locales; corrosión de las partes metálicas; etc. Existen técnicas de reparación clásicas: empleo de recrecidos de hormigón, empresillados metálicos, pegado de chapas de acero, etc. que han sido ampliamente utilizadas y que han sabido resolver el problema del refuerzo, tanto a flexión, cortadura o compresión en pilares. Sin embargo, estas técnicas presentan algunos problemas comunes que dificultan su utilización: son muy laboriosas, con largos periodos de interrupción del servicio; cambian las dimensiones de la estructura; aumentan el peso u originan nuevos problemas de corrosión. Por estas razones cada vez es más frecuente recurrir al refuerzo con los nuevos materiales compuestos de polímeros reforzados con fibras (usualmente denominados FRP por sus siglas en inglés). Estos materiales permiten el refuerzo disminuyendo sensiblemente o eliminando los problemas indicados arriba. Son materiales muy ligeros y de altas resistencias, no sensibles a la corrosión, que no cambian las dimensiones de la pieza reforzada ni aumentan su peso. Con este material, el FRP, en sus distintas formas, láminas pultrusionadas o laminados conformados in situ a partir de tejidos de fibra, esencialmente, es posible reforzar pilares a compresión mediante el zunchado, o vigas o forjados a flexión o cortante suplementando la armadura de tracción interna existente con tejidos o laminados pegados en la zona de tracción. El mayor uso hasta ahora ha sido mediante el pegado externo de estos elementos, pero esta técnica tiene algunos problemas: despegue prematuro sin alcanzar tensiones próximas a la rotura, sensibilidad del material a las temperaturas elevadas, debido al uso de resinas epoxi, o al vandalismo. Una nueva técnica, denominada por sus siglas inglesas NSM (Near-Surface Mounted), inserta pequeñas barras o láminas de fibra de carbono, CFRP, en ranuras efectuadas en el recubrimiento de hormigón y rellenadas con resina epoxi u otros materiales, mejorando el comportamiento en los aspectos indicados. En el caso del refuerzo a cortante se realizan las ranuras en el alma de la viga, principalmente verticales o a 45º en la zona que se quiera reforzar. El estudio y la aplicación de esta técnica va en aumento, pero las aplicaciones prácticas son aún muy limitadas debido a la dificultad de encontrar un método de cálculo unánimemente aceptado para el esfuerzo cortante, incluso en hormigón armado y más, evidentemente, si añadimos un tercer material. Por lo que es necesario un mayor número de estudios que permitan establecer métodos de cálculo fiables. Aunque el NSM mejore las condiciones de adherencia, la pérdida de ésta sigue siendo la causa principal del fallo de las vigas reforzadas y más en el caso de cortante donde las longitudes de adherencia suelen estar muy limitadas. La adherencia de las láminas o barras de CFRP a la resina y ésta a la superficie del hormigón depende de múltiples factores. Por ello en esta tesis se ha llevado a cabo un programa experimental para caracterizar la adherencia de las barras y láminas que iban a ser utilizadas en el refuerzo a cortante mediante la disposición de ensayo denominado ensayo de la viga. El programa ha contado con un total de 25 vigas, que debido al carácter independiente de cada una de las dos mitades han permitido realizar un total de 50 determinaciones de adherencia usando tres longitudes de adherencia: 48, 96 y 144 mm. Este programa ha permitido caracterizar la fuerza de arrancamiento máxima en la barra/lámina antes del deslizamiento y la tensión máxima de adherencia para esas longitudes ensayadas, con la posible interpolación entre ellas. El objetivo prioritario de la tesis era determinar la resistencia de vigas de hormigón insuficientemente armadas a cortante y posteriormente reforzadas mediante NSM CFRP para suplir esa condición. Para ello se ha realizado un programa experimental formado por 17 vigas de tamaño real: 3750 mm de longitud y una sección transversal de 200 mm de ancho y 350 mm de altura. Se estudiaron las siguientes variables: barras de 8 mm de diámetro o láminas de 2,5 x 15 mm2; uso de 3 o 6 barras/láminas insertadas dentro de la luz de cortante; y orientación vertical a 90º o a 45º. También se ensayó una viga patrón no reforzada y se consideraron dos vigas idénticamente reforzadas. Además, el armado externo e interno era simétrico y se pudieron ensayar de forma independiente cada uno de los extremos de cada viga, obteniendo, por tanto, cuatro ensayos idénticos para cada tipo de refuerzo (dos para la viga patrón). Este programa ha permitido, fundamentalmente, establecer que el refuerzo a cortante con NSM CFRP es una técnica sencilla con la que se consiguen incrementos de resistencia importantes, hasta del 80% en nuestro caso. También ha permitido establecer unos límites de uso adecuado del refuerzo (utilizando, claro, los elementos usados en el programa) de forma que el refuerzo con tres barras/láminas a 90º se ve que no aporta incremento sensible de resistencia; mientras que el refuerzo con 6 barras/láminas a 45º no supone un incremento importante de resistencia frente a menores armados por producirse en este caso rotura prematura de la viga por despegue de todo el recubrimiento. ---------- ABSTRACT---------- The need to resort to the strengthening of structures is becoming ever-increasingly common for many reasons: errors in the design, execution or conservation; the need to adapt to new loads due to the change of use; deterioration of built heritage; accidents or local failures; corrosion of metal parts; etc. Such classical strengthening techniques as the use of reinforced concrete or metallic grids, or the bonding of steel sheets, have been widely used to solve the problem of strengthening, either for bending, shear or compression in columns. However, these techniques present some common problems that hinder their use, namely: as well as being very laborious, with long periods of service interruption, they may change the structure dimensions or increase weight, or cause new corrosion problems. These reasons have caused strengthening with the new composites or fibre-reinforced polymers (usually referred to as FRPs) to become increasingly popular as these materials allow strengthening while appreciably decreasing or eliminating the problems indicated above. They are very light materials non-sensitive to corrosion with high resistances which neither change the dimensions of the strengthened element nor increase its weight. With this material, i.e. FRP, in its various forms, either as pultruded plates or fabrics, essentially, it is possible to reinforce not only compression pillars by bracing, but also bending or shear beams or slabs by supplementing the existing internal tensile reinforcement with fabrics or laminates glued in the traction zone. The most common use so far has been the external bonding of such elements, but this technique brings some problems, such as premature debonding without reaching tensions close to failure, or its sensitivity to high temperatures, due to the use of epoxy resins, or to vandalism. A new technique called NSM (Near-Surface Mounted), which consists in inserting small bars or strips of CFRP into grooves made in the concrete cover and filled with epoxy resin or other materials, improves its behaviour in the aspects indicated. In the case of shear strengthening, the grooves are made in the concrete cover of the beam, mainly vertically or at 45º, in the area to be strengthened for shear. The study and application of this technique is increasing, but practical applications are still very limited due to the difficulty of finding a method of calculation unanimously accepted for shear stress, even in reinforced concrete and also, of course, if a third material is added. Therefore, further research is needed to establish reliable calculation methods. Although the NSM improves the adhesion conditions, the loss of adhesion is still the main cause of failure of the strengthened beams, and this is even more so in the case of shear where the adhesive lengths are very limited. The adherence of the CFRP strips or bars to the resin and that of the resin to the concrete surface depends on multiple factors. Therefore, in this thesis an experimental programme has been carried out to characterize the adherence of the bars and strips to be used in the shear strengthening by means of the test setup called beam test. The programme has had a total of 25 beams, which due to the independent character of each of the two halves have allowed a total of 50 adherence determinations to be carried out using three adhesion lengths: 48, 96 and 144 mm. This programme has enabled the characterisation of the maximum pull-out force in the bar/strip before the slip and the maximum adherence stress for the lengths tested, with the possible interpolation between them. The fundamental objective of the thesis was to determine the strength of insufficiently shear reinforced concrete beams which had been subsequently strengthened by means of NSM CFRP to make up for that condition. For this purpose, an experimental programme consisting of 17 real-size beams has been carried out, the beams being 3750 mm in length, with a 200 mm wide and 350 mm high cross section. The following variables were studied: 8 mm diameter bars or strips of 2.5 x 15 mm2; use of 3 or 6 bars/strips inserted into the shear span; and vertical orientation at 90° or 45°. A non-strengthened patron beam was also tested. So, there were two identically strengthened beams. In addition, the external and internal reinforcement was symmetrical and each end of each beam was tested independently, obtaining, as a result, four identical tests for each type of strengthening (two for the patron beam). This programme has made it possible to establish, fundamentally, that shear strengthening with NSM CFRP is a useful technique that achieves important resistance increases, up to 80% in our case. It has also allowed to establish limits of proper use of the strengthening (making use, of course, of the elements used in the programme), revealing that the strengthening with three bars/strips at 90º does not actually contribute to a significant increase in resistance; while the strengthening with 6 bars/strips at 45° does not imply a significant increase in resistance compared to minor strengthening, as in such case premature rupture of the beam occurs due to the splitting of the full concrete cover.