Estudio de uniones de hormigón armado con barras de aleación con memoria de forma reparadas con CFRP y sometidas a carga cíclica. Parte I: Estudio Teórico. Aplicación práctica a un caso real de viaducto en zona de alta sismicidad en México

Abstract

[EN] Research in seismic engineering have a very high importance due to the social and economic interest they arouse. The development of new construction materials or the use of existing ones applied to structural engineering is one of the paths to be followed for the creation of new structural systems of protection against earthquakes. In this field, a type of structural joint for protection against earthquakes based on the use of shape memory alloys (SMA) has been recently developed at the Universitat Politècnica de València as substitutes for conventional longitudinal steel reinforcement at joints between elements of reinforced concrete. These give the joint elastic characteristics much higher than those of conventional reinforcement. The purpose of this new type of joints is to replace those joints of the structures in which a high ductility is required. Whereas for a project earthquake, joints with conventional materials would be sufficiently damaged to require major repair or replacement of certain elements, a structure in which the unions are replaced by this type and that suffers the same earthquake would not present the own problems of the failure of the steel reinforcement. There would possibly be a breakage of the concrete at the joint, but the SMA would remain in good condition. For the structure to be put into service again only a minor repair would be necessary. In this framework the investigation of this Master Final Project is carried, in which it is tried to study the correct repair of this type of unions so that they can show correct operation after the occurrence of an earthquake, using the fewest possible resources. With this objective, the reinforcement of structures with fiber reinforced polymers (FRP) is studied. The FRP as external sheathing in beams and columns seeks to increase the resistant capacity of these by the confining pressure it generates on the concrete. To verify its applicability to the repair of unions with SMA, a theoretical study is carried out on how FRP structures behave and an experimental study to determine the correct functioning of FRP repaired unions with SMA. In order to carry out the first task, a thorough review of the state of the art in FRP is made, from which conclusions can be drawn regarding its design and manufacture, to later model the behaviour of the union under study. In order to carry out the experimental study, a campaign of tests is developed to represent the conditions of operation of the reinforced concrete joints before a seismic solicitation. After analyzing the experimental results and validating the proposed numerical model, a practical application of the researched unions is carried out in order to study the global impact on long-term costs of this type of structures developed with non-conventional materials and to study their socio-economic viability.

[CA] Les investigacions en enginyeria sísmica presenten una gran importància a causa de l'interés social i econòmic que desperten. El desenvolupament de nous material de construcció o l'ús dels ja existents aplicats a l'enginyeria estructural és un dels camins a seguir per a la creació de nous sistemes estructurals de protecció contra terratrèmols. En aquest àmbit, s'ha desenvolupat recentment a la Universitat Politècnica de València un tipus d'unió estructural per a la protecció contra terratrèmols basada en l'ús d'al·leacions amb memòria de forma (SMA) com a substitutes de les convencionals armadures d'acer longitudinals en les unions entre elements de formigó armat. Aquestes confereixen a la unió unes característiques elàstiques molt superiors a les de les armadures convencionals. La finalitat d'aquest nou tipus d'unions es substituir aquelles unions de l'estructura en les que es requerixca una ductilitat elevada. Mentre que per a un terratrèmol de projecte les unions amb materials convencionals resultarien suficientment danyades com per a requerir una gran reparació o substitució de certs elements, una estructura en la que les unions son substituïdes per aquesta nova unió i que experimenta el mateix sisme no presentaria els problemes propis de l'armadura d'acer. Es tindria possiblement un dany greu del formigó de la unió, però el SMA es mantindria en bon estat. Per a la nova entrada en funcionament de la estructura sols seria necessària una reparació menor. En quest marc es desenvolupa la investigació d'aquest Treball Final de Màster, en el que es pretén estudiar la correcta reparació d'aquest tipus d'unions per a que puguen tornar a presentar un correcte funcionament després de l'esdeveniment del terratrèmol, emprant els menors recursos possibles. Amb aquest objectiu, s'estudia el reforç d'estructures mitjançant l'envoltura amb polímers reforçats amb fibres (FRP). Per a verificar la seua aplicabilitat a la reparació d'unions amb SMA es realitza un estudi teòric de com es comporten les estructures amb FRP i un estudi experimental per a determinar el correcte funcionament de les unions amb SMA reparades amb FRP. Per a realitzar la primera tasca, es fa una revisió exhaustiva del estat de l'art en matèria de FRP, d'on poder extraure conclusions pel que fa a disseny i fabricació per a posteriorment modelitzar el comportament que tindria la unió objecte d'estudi. Per a l¿estudi experimental es desplega una campanya d'assajos que representen les condicions de funcionament de les unions de formigó armat davant d'una sol·licitació sísmica. Una volta analitzats els resultat experimentals y validat el model numèric proposat, es realitza una aplicació pràctica de les unions investigades amb l'objectiu d'estudiar l'impacte global en costos a llarg termini d'aquest tipus de estructures plantejades amb materials no convencionals i estudiar la seua viabilitat socioeconòmica.

[ES] Las investigaciones en ingeniería sísmica presentan un alto grado de importancia debido al interés social y económico que despiertan. El desarrollo de nuevos materiales de construcción o el empleo de los ya existentes aplicados a la ingeniería estructural es uno de los caminos a seguir para la creación de nuevos sistemas estructurales de protección frente a sismos. En este ámbito, se ha desarrollado recientemente en la Universitat Politècnica de València un tipo de unión estructural para la protección frente a sismos basada en el empleo de aleaciones con memoria de forma (SMA) como sustitutas de las convencionales armaduras de acero longitudinales en las uniones entre elementos de hormigón armado. Éstas confieren a la unión unas características mecánicas muy superiores a las de las armaduras convencionales. La finalidad de este nuevo tipo de uniones es sustituir aquellas uniones de las estructuras en las que se requiera una ductilidad elevada. Mientras que para un sismo de proyecto las uniones con materiales convencionales resultarían suficientemente dañadas como para requerir una gran reparación o sustitución de ciertos elementos, una estructura en la que las uniones son sustituidas por esta nueva unión y que sufre el mismo sismo no presentaría los problemas propios del fallo de la armadura de acero. Se tendría posiblemente una rotura del hormigón en la unión, pero el SMA se mantendría en buen estado. Para que la estructura pudiera ser puesta en servicio de nuevo sería necesaria únicamente una reparación menor. En este marco se desarrolla la investigación del presente Trabajo Final de Máster, en el que se pretende estudiar la correcta reparación de este tipo de uniones para que puedan volver a presentar un correcto funcionamiento tras la ocurrencia de un sismo, empleando los menores recursos posibles. Con ese objetivo, se estudia el refuerzo de estructuras mediante su envoltura con polímeros reforzados con fibras (FRP). Para verificar su aplicabilidad a la reparación de uniones con SMA se lleva a cabo un estudio teórico de cómo se comportan las estructuras con FRP y un estudio experimental para determinar el correcto funcionamiento de las uniones con SMA reparadas con FRP. Para realizar la primera tarea, se hace una revisión exhaustiva del estado del arte en materia de FRP, del cual extraer conclusiones en cuanto a su diseño y fabricación para posteriormente modelizar el comportamiento que tendría la unión objeto de estudio. Para llevar a cabo el estudio experimental se desarrolla una campaña de ensayos que representen las condiciones de funcionamiento de las uniones de hormigón armado ante una solicitación sísmica. Una vez analizados los resultados experimentales y validado el modelo numérico propuesto, se realiza una aplicación práctica de las uniones investigadas con el fin de estudiar el impacto global en costes a largo plazo de este tipo de estructuras desarrolladas con materiales no convencionales y estudiar su viabilidad socioeconómica.