Comportamiento de estructuras de hormigón pretensado con armaduras pretesas de polímeros reforzados con fibras (FRP).

Abstract

(English) The effect of corrosion on reinforcement and its impact on the service life reduction of existing reinforced and prestressed concrete infrastructures has led to the search for alternatives to conventional steel with enhanced durability. In this context, fiber-reinforced polymer (FRP) reinforcements are a promising alternative, as they are not susceptible to corrosion. However, their implementation as active reinforcement in the construction sector is still scarce, due to the limited research conducted and the fact that their use is not included in most current design guidelines, which restrict their application to passive reinforcement. The main objective of this thesis is to study the structural behavior of prestressed concrete elements with active FRP reinforcement, with the aim of contributing to the development of future design recommendations that ensure their functionality, safety, and durability. To this end, an experimental campaign was conducted on 20 simply supported beams with a span of 4.50 m, consisting of 10 flexural tests with a 3-point bending configuration and 18 shear tests (on 9 beams) subjected to a single-point load applied at a distance of three times the effective depth from one of the supports. Additionally, tests were carried out to characterize the mechanical properties of the materials, evaluate the bond performance of the prestressed FRP tendons, and verify the effectiveness of the anchorage systems used for each material. The study considered glass fiber-reinforced polymer bars with thermosetting resin (GFRP), glass fiber-reinforced polymer bars with thermoplastic resin (TP-GFRP), carbon fiber-reinforced polymer bars (CFRP), and carbon fiber composite cables (CFCC), as well as steel strands (control), prestressed at different levels. The exhaustive instrumentation allowed for the recording of the applied load, displacements at multiple points, rotations at the support, strains at different sections in both active and passive reinforcement, and the slip of the active reinforcement with respect to the concrete during the tests. The use of the digital image correlation (DIC) system enabled the capture of crack formation and propagation during each test. The beams tested in a 3-point bending configuration failed when the active longitudinal reinforcement reached its ultimate strength, leading to a decrease in the prestressing force and to the formation of a diagonal crack. In the beams tested in shear, the failure mode was as expected but more brittle compared to that of the prestressed steel beams. In some cases, the shear failure was accompanied by a tensile failure of the reinforcement in the section where the critical shear crack opened, due to the increase in tension produced by the shear force. The analytical formulations were able to predict the ultimate load values and the numerical modelling (using the ABAQUS programme) reproduced the performance of the beams in service but in some cases, they were not able to predict the failure load.

(Català) L'efecte de la corrosió de les armadures en la reducció de la vida útil de les infraestructures existents de formigó armat i pretensat ha portat a la recerca d'alternatives a l'acer convencional que proporcionin una major durabilitat. En aquest context, les armadures de polímers reforçats amb fibres (FRP) són una bona alternativa, ja que no presenten susceptibilitat a la corrosió, però la seva implementació com a armadura activa en el sector de la construcció és escassa a causa de la investigació encara molt limitada i perquè el seu ús no està contemplat en la major part de normatives tècniques i guies de disseny actuals, que només la consideren com a armadura passiva. Aquesta tesi té com a objectiu principal estudiar el comportament estructural d'elements de formigó pretensat amb armadures actives de FRP, amb la finalitat de contribuir a l'establiment de recomanacions de disseny en el futur que garanteixin la seva funcionalitat, seguretat i durabilitat. Per a això, s'ha dut a terme una campanya experimental amb 20 bigues isostàtiques de 4,50 m de llum, realitzant-se 10 assajos a flexió amb càrrega puntual simètrica i 18 assajos a tallant (9 bigues) amb càrrega puntual aplicada a una distància de tres vegades el cantell útil des d’un dels suports. Addicionalment, s'han realitzat assajos de caracterització de les propietats mecàniques dels materials, d'adherència dels tendons pretensats de FRP i de comprovació del funcionament dels sistemes d'ancoratge de cadascun dels materials utilitzats. S'han emprat barres de fibra de vidre i resina termoestable (GFRP), de fibra de vidre i resina termoplàstica (TP-GFRP), de fibra de carboni (CFRP), cordons de fibra de carboni (CFCC) i cordons d'acer (control), amb diferents nivells de pretesat. L’exhaustiva instrumentació disposada ha permès registrar la càrrega aplicada, els desplaçaments en diversos punts, els girs als suports, les deformacions de l'armadura activa i passiva i els lliscaments de l'armadura activa respecte del formigó, al llarg de tot l'assaig. El sistema de correlació d'imatges digitals (DIC) ha permès captar la formació i evolució de fissures al llarg de cada assaig. Les bigues assajades a flexió van fallar després de l'esgotament a tracció de l'armadura longitudinal, fet que va provocar la pèrdua de la força de pretesat i la formació d'una fissura inclinada. En les bigues assajades a tallant, el mode de fallida va ser l’esperat, però més fràgil i sobtat que en les bigues pretesades amb acer. En alguns casos, la ruptura per tallant es va produir acompanyada de l'esgotament per tracció de l'armadura a la secció d'inici de la fissura, a causa de l'increment de tracció produït pel tallant. Les prediccions analítiques realitzades permeten obtenir els valors de càrrega última de manera força aproximada i les modelitzacions numèriques (mitjançant el programa ABAQUS) reprodueixen bé el comportament en servei, però en alguns casos no són capaces de captar la càrrega de ruptura.

(Español) El efecto de la corrosión de las armaduras en la reducción de la vida útil de las infraestructuras existentes de hormigón armado y pretensado ha llevado a la búsqueda de alternativas al acero convencional que proporcionen una mayor durabilidad. En este contexto, las armaduras de polímeros reforzados con fibras (FRP) son una buena alternativa, pues no presentan susceptibilidad a la corrosión, pero su implementación como armadura activa en el sector de la construcción es escasa por la todavía muy limitada investigación realizada y porque su uso no está contemplado en la mayor parte de normativas técnicas y guías de diseño actuales, que sólo la consideran como armadura pasiva. Esta tesis tiene como objetivo principal estudiar el comportamiento estructural de elementos de hormigón pretensado con armaduras activas de FRP, con el fin de poder contribuir a que en un futuro se puedan establecer recomendaciones de diseño que garanticen su funcionalidad, seguridad y durabilidad. Para ello, se ha llevado a cabo una campaña experimental de 20 vigas isostáticas, de 4.50 m de luz, habiéndose realizado 10 ensayos a flexión con carga puntual simétrica y 18 ensayos a cortante (9 vigas) con carga puntual aplicada a una distancia de tres veces el canto útil desde de uno de los apoyos. Adicionalmente, se han realizado ensayos de caracterización de las propiedades mecánicas de los materiales, de adherencia de los tendones pretensados de FRP y de comprobación del funcionamiento de los sistemas de anclaje de cada uno de los materiales utilizados. Se han empleado barras de fibra de vidrio y resina termoestable (GFRP), de fibra de vidrio y resina termoplástica (TP-GFRP), de fibra de carbono (CFRP); cordones de fibra de carbono (CFCC) y cordones de acero (control), bajo diferentes niveles de pretensado. La exhaustiva instrumentación dispuesta ha permitido registrar la carga aplicada, desplazamientos en varios puntos, giros en los apoyos, deformaciones de la armadura activa y pasiva y deslizamientos de la armadura activa respecto del hormigón, a lo largo de todo el ensayo. El sistema de correlación de imágenes digitales (DIC) ha permitido captar la formación y evolución de fisuras a lo largo de cada ensayo. Las vigas sometidas a flexión fallaron tras el agotamiento a tracción de la armadura longitudinal, lo que llevó a una pérdida de la fuerza de pretensado y a la formación de una fisura inclinada. En las vigas ensayadas a cortante, el modo de fallo fue el esperado, pero más frágil y repentino que en las vigas pretensadas con acero. En algunos casos, la rotura por cortante se produjo acompañada del agotamiento por tracción de la armadura en la sección de inicio de la fisura, debido al incremento de tracción producido por el cortante. Las predicciones analíticas realizadas permiten obtener los valores de carga última de forma bastante aproximada y las modelizaciones numéricas (mediante el programa ABAQUS) reproducen bien el comportamiento en servicio pero en algunos casos no son capaces de captar la carga de rotura.