Análisis del comportamiento frente acciones cíclicas de muros de mampostería reforzados con materiales compuestos de matriz inorgánica y tejidos de fibras vegetales

Abstract

In order to pursue sustainable objectives in the construction industry, a new composite material using vegetal fabric coated with resin and embedded into mortar was developed, characterized and applied on masonry walls. In this study, fabrics of different types of vegetal fibres (flax, hemp, sisal, and cotton) coated with resins were manufactured, and with them, FRCM (Fabric Reinforced Cementitious Matrix) specimens were produced for tensile tests and bonding tests with masonry units. Once characterized the FRCM of vegetal fibers specimens, two types of fibres were chosen to reinforce masonry walls. Results showed an excellent interaction between vegetal fibres and mortar matrix. The coating with resins improved the mechanical properties of the yarns and avoided the typical slipping failures in FRCM composites. For strengthening masonry walls, hemp and cotton FRCM were chosen. Hemp FRCM was the composite that reached the highest mechanical strength, whereas cotton FRCM had the greatest elongation capacity and multicracking response. These strengthening systems increased significantly the shear strength and the ability to dissipate energy from the unreinforced masonry walls, showing even better efficiency than glass FRCM strengthened walls (also tested in this study) under cyclic loading. In addition, the use of a greater volume of fibres in the case of the FRCM of vegetal fibres allowed reducing the volume of cementitious matrix to be used (0.5 and 5%, contrasted with glass-FRCM), which reduced the specific weight of the FRCM. In addition, analytical and numerical models were proposed for the analysis of FRCM and wall specimens manufactured and tested in this study. Their experimental results adjusted the parameter of analytical and numerical models. These models were effective calculation tools to reproduce FRCM specimens and masonry walls reinforced with FRCM behavior, where the connection between mesh-mortar and mortar-masonry is good enough to avoid failures due to mesh sliding and mortar debonding. In general, this thesis represents a great step in the topic of the use of vegetable fibers within cementitious matrices. Well, from the low density, low cost and sustainability that represent vegetal fibres it was possible to develop a composites with greater sustainability and efficiency (in contrast with the synthetic fibers FRCM used in this study), able to improve the mechanical performance of masonry walls subjected to cyclic loading.

Con el fin de perseguir objetivos sostenibles en la industria de la construcción, se desarrolló, caracterizó y aplicó en muros de mampostería un nuevo material compuesto basado en mallas de fibras vegetales recubierta con resina y embebidas en una matriz cementicia de mortero. En esta tesis, se fabricaron mallas de diferentes tipos de fibras vegetales (lino, cáñamo, sisal y algodón), y con ellas se fabricaron cerca de 100 especímenes de FRCM (Fabric Reinforced Cementitious Matrix) para someterlos a ensayos de tracción, y de adherencia con unidades de mampostería. Una vez caracterizados los FRCM de fibras vegetales se eligieron dos tipos de fibras a utilizar para reforzar muros de mampostería. Los resultados mostraron una excelente interacción entre las fibras vegetales y una de las matrices de mortero ensayadas. El recubrimiento con resina mejoró las propiedades mecánicas de los hilos y evitó las típicas fallas de deslizamiento en los compuestos de FRCM. Para el refuerzo de los muros se eligió el FRCM de cáñamo y de algodón. Pues el FRCM de cáñamo fue el que alcanzo mayor resistencia mecánica, mientras que el FRCM de algodón tuvo la mayor capacidad de elongación y de multifisuración. Estos refuerzos aumentaron de manera significativa la resistencia a cortante y la capacidad de disipar energía de los muros de mampostería sin reforzar, mostrando una mejor eficiencia que los muros reforzados con FRCM de fibras de vidrio (también ensayados en este estudio) frente a cargas cíclicas. Además, el uso de un mayor volumen de fibras en el caso del FRCM de las fibras vegetales permitió reducir el volumen de la matriz cementicia (0,5 y 5%), en contraste con el FRCM de fibra de vidrio), lo que redujo el peso específico del FRCM y el consumo de mortero. También, se propusieron modelos analíticos y numéricos para el análisis de los especímenes de FRCM y muros fabricados en este estudio. Los resultados experimentales ajustaron los parámetros del modelo analítico y numérico. Estos modelos fueron herramientas de cálculo efectivas para reproducir el comportamiento del FRCM y los muros de la mampostería reforzados con FRCM, en el caso que la conexión entre malla-mortero y mortero-mampostería sea lo suficientemente buena para evitar los fallos por deslizamiento de la malla y desprendimiento del mortero. En general esta tesis representa un gran paso en la temática del uso de fibras vegetales dentro de matrices cementicias. Pues a partir de la baja densidad, bajo coste y sostenibilidad que representan las fibras vegetales fue posible desarrollar un compuesto de mayor sostenibilidad y eficiencia (en contraste con FRCM de fibras sintética usadas en este estudio), capaz de mejorar las prestaciones mecánicas de muros de mamposterías frente a carga cíclicas.