Mechanical characterization and modeling of polypropylene fiber reinforced rammed earth

• Autores: Majdi Al Shdifat
• Directores de la Tesis: María Esther Puertas García (codir. tes.), Maria Lourdes Jalón Ramírez (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2026
• Idioma: inglés
• ISBN: 9791370153250
• Número de páginas: 169
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
• Resumen
  • español

    La creciente demanda de construcción sostenible pone de manifiesto la urgente necesidad de materiales respetuosos con el medio ambiente que reduzcan el impacto ecológico sin comprometer la fiabilidad estructural. Esta tesis presenta una investigación integral sobre el comportamiento mecánico y el desempeño estructural de la tierra apisonada no estabilizada reforzada con fibras de polipropileno. La investigación combina análisis experimental, modelización estadística bayesiana y simulación mediante el método de elementos finitos para proporcionar un marco completo de evaluación del material. El trabajo comienza con el desarrollo de un marco estructurado de toma de decisiones para la selección de eco-materiales. Se aplicó un enfoque de toma de decisiones grupal a gran escala, respaldado por análisis SWOT y criterios de sostenibilidad, para evaluar y clasificar materiales como la tierra apisonada, el hempcrete y el ferrock. Posteriormente, se llevó a cabo una investigación experimental sobre probetas de tierra apisonada no estabilizada (URE) reforzadas con diferentes contenidos de microfibras de polipropileno. El programa experimental se realizó sobre probetas rectangulares de URE fabricadas a partir de una mezcla de suelo compuesta por 20% de grava, 35% de arena, 5% de limo y 40% de arcilla, con contenidos de fibra del 0%, 1,5%, 3,5% y 5%. Tras un período de curado de 28 días, se realizaron ensayos de compresión simple (UCS), flexión en tres puntos y velocidad de pulso ultrasónico (UPV) para evaluar la resistencia a compresión, la resistencia a flexión y el módulo elástico. Los resultados demostraron que las microfibras de polipropileno mejoraron significativamente la resistencia a compresión, pero redujeron el comportamiento a flexión. Para gestionar las incertidumbres experimentales y considerar la variabilidad del material, se desarrolló un marco estadístico bayesiano. Este permitió una caracterización probabilística de los parámetros mecánicos y mejoró la fiabilidad predictiva de las mediciones no destructivas mediante UPV. El enfoque de inferencia bayesiana proporcionó intervalos de credibilidad y estimaciones posteriores que perfeccionaron la interpretación de los resultados experimentales. Finalmente, se implementó un modelo de elementos finitos (FEM) en Abaqus, calibrado con parámetros del material derivados del análisis bayesiano. Las simulaciones mostraron una buena concordancia con la respuesta carga–desplazamiento experimental, la distribución de tensiones y los mecanismos de fallo para diferentes contenidos de fibra, validando la metodología acoplada experimental–computacional. En conclusión, esta tesis confirma la viabilidad mecánica y el potencial de sostenibilidad de la tierra apisonada reforzada con fibras de polipropileno. Asimismo, establece una metodología robusta que integra ensayos experimentales, modelización probabilística y simulación numérica, ofreciendo aportaciones prácticas para el desarrollo de materiales de construcción de bajo impacto y alta eficiencia en el uso de recursos.

  • English

    The growing demand for sustainable construction highlights the urgent need for environmentally friendly materials that reduce ecological impact while maintaining structural reliability. This thesis presents an integrated investigation into the mechanical behavior and structural performance of polypropylene fiber-reinforced unstabilized rammed earth. The research combines experimental analysis, Bayesian statistical modeling, and finite element simulation to provide a comprehensive framework for material evaluation. The work begins with the development of a structured decision-making framework for eco-material selection. A large-scale group decision-making approach, supported by SWOT analysis and sustainability criteria, was applied to assess and rank materials such as rammed earth, hempcrete, and ferrock. Subsequently, an experimental investigation was conducted on unstabilized rammed earth (URE) specimens reinforced with various contents of micro polypropylene fibers. An experimental program was carried out on rectangular URE specimens produced from a soil mixture containing 20% gravel, 35% sand, 5% silt, and 40% clay, with fiber contents of 0%, 1.5%, 3.5%, and 5%. After a 28-day curing period, unconfined compressive strength (UCS), three-point bending, and UPV tests were conducted to evaluate compressive strength, flexural strength, and elastic modulus. The results demonstrated that micro polypropylene fibers significantly enhanced compressive strength but reduced flexural performance. To manage experimental uncertainties and account for material variability, a Bayesian statistical framework was developed. This enabled probabilistic characterization of the mechanical parameters and improved the predictive reliability of non-destructive UPV measurements. The Bayesian inference approach provided credible intervals and posterior estimates that refined the interpretation of experimental outcomes. Finally, a finite element modeling (FEM) framework was implemented in Abaqus, calibrated with Bayesian-derived material parameters. The simulations showed good agreement with the experimental load–displacement response, stress distribution, and failure mechanisms across different fiber contents, validating the coupled experimental– computational methodology. In conclusion, this thesis confirms the mechanical feasibility and sustainability potential of polypropylene fiber-reinforced rammed earth. It establishes a robust methodology that integrates experimental testing, probabilistic modeling, and finite element simulation, offering practical insights for advancing low-impact, resource-efficient construction materials.