Influencia de las condiciones de ejecución en la resistencia de anclajes de fibra de carbono para refuerzos en estructuras de hormigón
- Autores: Paula Villanueva Llauradó
- Directores de la Tesis: Jaime Fernández Gómez (dir. tes.), Francisco José González Ramos (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Encarnación Reyes Pozo (presid.), Jesús Gómez Hermoso (secret.), Humberto Amorim Varum (voc.), Miguel Angel Fernández Prada (voc.), Ángel González Lucas (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Estructuras, Cimentaciones y Materiales por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
Los materiales compuestos con fibra en matriz polimérica (FRP) son muy utilizados actualmente para actuaciones de refuerzo y rehabilitación de estructuras de hormigón armado y de fábrica, tanto de obra civil como de edificación. Entre las ventajas de estos materiales destacan su alta resistencia a tracción, alta relación resistencia/peso y buenas propiedades durables. En estructuras de hormigón se pueden emplear para refuerzo de elementos a compresión por confinamiento, y de elementos a flexión y cortante tales como vigas y losas.
Las técnicas de refuerzo con FRP se clasifican atendiendo a la disposición del refuerzo, que puede ser exterior adherida a la superficie del elemento a reforzar o bien parcialmente embebida en rozas lineales. La elección de la técnica de refuerzo más apropiada a cada proyecto dependerá del estado de conservación del material de soporte, de la accesibilidad para la reparación y de la importancia de la integración visual de la actuación, entre otros factores. Los refuerzos exteriores son más frecuentes por su mayor facilidad de instalación y porque requieren una menor alteración del soporte. Además, pueden hacerse de forma superficial mejorando la integridad del elemento reforzado.
La eficacia de los refuerzos de FRP, especialmente de los sistemas aplicados exteriormente, está limitada por el fallo prematuro por despegue. Este fallo de adherencia, relacionado con las tensiones en la interfaz, lleva a no aprovechar la resistencia del material.
En las normas y guías de diseño que existen para refuerzos de hormigón con FRP se considera la limitación debida al fallo por despegue. Dicha limitación se expresa en términos de deformación máxima o de resistencia máxima de adherencia calculada en función de la longitud adherida. La longitud adherida juega un papel fundamental en la transferencia de tensiones en la interfaz refuerzo-soporte; en la literatura hay consenso respecto a la existencia de una longitud efectiva de transferencia de tensiones, más allá de la cual no se incrementa la resistencia aunque se aumente la longitud adherida. El desaprovechamiento del FRP derivado del despegue prematuro, y la imposibilidad en ocasiones de disponer la longitud adherida necesaria para conseguir la máxima adherencia, ha llevado al desarrollo de sistemas de anclaje. En la última década se han desarrollado diversos sistemas de anclaje para FRP para evitar, o retrasar, el despegue del refuerzo. Como en el caso de los propios refuerzos, se distingue entre sistemas de anclaje externos y embebidos.
Los anclajes externos más comunes son los que funcionan mediante un incremento de la superficie de adherencia, bien mediante la prolongación del refuerzo hasta otro elemento con superior resistencia a tracción, o bien mediante un sistema de parches bidireccionales. Los anclajes embebidos pueden tener un funcionamiento de anclaje mecánico o aprovechar una técnica de refuerzo parcialmente embebida para aumentar la superficie de adherencia. Los anclajes de tipo mecánico se basaron inicialmente en el refuerzo con pletinas metálicas, empleando pernos y placas; estos sistemas tienen el inconveniente de una menor durabilidad, al incluir elementos metálicos. Como alternativa a los anclajes metálicos aparecieron anclajes realizados con las mismas fibras que el refuerzo, a los que habitualmente se conoce como anclajes de FRP.
Los anclajes de FRP no presentan incompatibilidad con el soporte ni con el refuerzo, y tienen buena durabilidad. Consisten en fibras unidireccionales dispuestas en una sección cilíndrica; el anclaje consta de un tramo que se embebe en resina y se introduce en una perforación realizada previamente en el soporte, y en un tramo libre que se expande en forma de abanico y se adhiere al refuerzo, con la misma resina usada como adhesivo del mismo al soporte.
La eficacia de los anclajes de FRP ha sido demostrada en numerosas campañas experimentales, logrando retrasar el despegue o incluso cambiando el modo de fallo; las guías existentes para diseño de refuerzos de FRP apuntan a la mejora que puede conseguirse con estos sistemas de anclaje, pero hay un gran desconocimiento de los parámetros implicados en su comportamiento que ha limitado su uso hasta la fecha. Los estudios publicados sobre anclajes de FRP son de tres tipos: resistencia a arrancamiento del anclaje, resistencia a corte de refuerzos anclados a probetas de hormigón y resistencia de refuerzos anclados en vigas y losas. Los ensayos a arrancamiento han permitido identificar algunas variables que afectan a la resistencia y modo de fallo de los anclajes, pero partiendo de una solicitación que rara vez se da en los anclajes de FRP en condiciones reales; los ensayos a corte de refuerzos anclados tratan de reproducir la situación tensional más común para los anclajes, pero no permiten aislar las variables del propio anclaje de las de su interacción con el refuerzo.
En el presente trabajo se presentan dos campañas experimentales. La primera consistió en 64 ensayos a corte de cordones de fibra de carbono embebidos en hormigón; en la segunda se ensayaron a corte refuerzos adheridos y anclados en probetas de hormigón. Estas dos fases se realizaron consecutivamente, para poder emplear los resultados de los cordones aislados en el diseño de los anclajes de la segunda fase.
El objetivo de la primera fase de ensayos fue aislar e interpretar los parámetros que afectan al comportamiento de los anclajes, para poder proponer un diseño optimizado de los anclajes de FRP. Se estudiaron variables geométricas y de ejecución. Las variables geométricas consideradas fueron: profundidad de introducción, diámetro de la perforación e inclinación de la perforación respecto a la carga; las variables de ejecución incluyeron la técnica de fabricación e introducción del anclaje y la herramienta utilizada para el tratamiento del filo de la perforación. Los resultados de esta primera fase permitieron identificar las variables con mayor influencia en la resistencia de los anclajes de FRP: la profundidad, el tratamiento del filo de la perforación y el ángulo de la perforación.
Las dos últimas variables están íntimamente relacionadas ya que ambas afectan a la concentración de tensiones en el tramo de doblado del anclaje. Del análisis de las variables de la primera fase experimental se decidió que una configuración bastante optimizada para un anclaje de 10 mm de diámetro consiste en una perforación a 135º, con un diámetro de 20 mm y una profundidad de 100 mm . Todos los anclajes de la segunda campaña se realizaron conforme a estos parámetros de diseño.
La segunda fase de la investigación se centró en dos aspectos: la posición relativa del anclaje respecto al refuerzo y la incorporación de anclajes múltiples. Se ensayaron tres disposiciones del tramo libre del anclaje: bajo el refuerzo, con las fibras embebidas en rozas radiales de poca profundidad, entre dos capas de refuerzo y sobre el refuerzo. Esta campaña reveló que la posición relativa de anclaje y refuerzo afecta a la resistencia máxima y al modo de fallo del refuerzo. Los mejores resultados se obtuvieron para anclajes embebidos entre dos capas de refuerzo. Tanto los anclajes sobre el refuerzo como entre capas de refuerzo consiguieron evitar el despegue del refuerzo, mientras que los anclajes por debajo del refuerzo incrementaron la carga máxima respecto a los refuerzos adheridos, pero no cambiaron el modo de fallo. La configuración de los anclajes múltiples se hizo a partir de los resultados anteriores, de modo que todos los anclajes múltiples se instalaron entre dos capas de refuerzo. No se apreció ninguna mejora en términos de resistencia entre los anclajes únicos y múltiples, pero se observó una mayor rigidez en las probetas con anclajes múltiples, fruto de la mayor sección de fibras, que pudo provocar el fallo prematuro en el tramo más débil del refuerzo.
Los resultados obtenidos se compararon con la base existente de anclajes de FRP a tracción pura y de refuerzos anclados a corte. Se ha elaborado un modelo analítico para el diseño de refuerzos con este tipo de anclajes. Se pretende que el modelo propuesto sirva de base para futuras investigaciones, precisándose una calibración del mismo con resultados experimentales de las variables menos documentadas hasta la fecha.
