Effectiveness of polypropylene fibres as shear reinforcement in structural elements

Abstract

[EN] Several efforts have been made in experimental and theoretical research about shear to understand all the variables that influence the phenomenon. Nowadays, however, due to its complexity, the shear performance of structural concrete elements, especially those without any traditional transversal reinforcement, continue with no clear explanation of the problem. Uncertainty about the problem grows when new variables like fibres are incorporated into the shear study. Research works have demonstrated the effectiveness of steel fibre in improving the mechanical properties of concrete elements. Experimental results reveal that steel fibres have proven effective in improving shear resistance, and they confer some concrete elements more ductility. In adequate amounts, steel fibres can completely or partially substitute traditional shear reinforcements. This is why international codes have included some requirements to take into account the action of fibres on the shear response of concrete elements. However, most recommendations and requirements for steel fibre-reinforced concrete (SFRC) were originally created. New fibres with different materials properties and shapes, such as macrosynthetic fibres, are now available on the market. These fibres, some of which are made of polypropylene, are an alternative in the construction industry given their properties and final cost. Initially, polypropylene fibres were used to control shrinkage cracking. Nevertheless, in the last decade the chemical industry has created larger fibres with better surface shapes, which allows polypropylene fibres to meet the requirements of international codes so they can be used in structural elements. Within this framework, the present PhD thesis aims to contribute to knowledge about fibre reinforced concrete (FRC), especially to study the effectiveness of polypropylene fibres when used as shear reinforcement. For this purpose, a literature review of the material, polypropylene fibre-reinforced concrete (PFRC) and its structural applications is first carried out. This study also discusses the parameters that affect the shear behaviour of traditional concrete and FRC. In order to evaluate the effectiveness of polypropylene fibres in shear, three experimental campaigns are presented. Each campaign represents a different level of study. The first corresponds to the material level, where the shear behaviour of PFRC is evaluated by push-off specimens. The second level involves studying shear in real scale elements. For this purpose, shear critical slender beams were manufactured and tested. The last level corresponds to real application of polypropylene fibres to act as shear reinforcement. In this campaign, deep hollow core slabs, with real sections and supports conditions, were tested. At each level, the shear behaviour of PFRC was evaluated against control reinforced concrete specimens, which were also tested during each campaign.

[ES] Varias investigaciones experimentales y teóricas han sido realizadas para entender el comportamiento a cortante de elementos de hormigón y sus variables. Sin embargo, hoy en día debido a la complejidad del tema, el comportamiento a cortante de elementos de hormigón armado y en especial aquellos que no tienen refuerzo transversal, continúan sin tener una explicación clara. Por otro lado, esta complejidad del cortante aumenta cuando nuevas variables, como las fibras, se incorporan al estudio. Investigaciones han demostrado la efectividad de las fibras de acero para mejorar las propiedades mecánicas de hormigón. Según resultados experimentales, la fibra de acero mejora la resistencia cortante y ductilidad de ciertos elementos. Y en cantidades adecuadas, la fibra puede sustituir total o parcialmente los refuerzos tradicionales de cortante. Es así que varios códigos internacionales han incluido requisitos para tener a las fibras en la respuesta estructural de elementos de hormigón. Sin embargo, estos requerimientos se han creado originalmente para el hormigón reforzado con fibra de acero (Steel fibre-reinforced concrete -SFRC). Nuevas fibras con diferentes materiales y formas, como las fibras macro-sintéticas, han sido introducidas en el mercado. Estas fibras, también llamadas fibras de polipropileno o poliolefina, son una alternativa en la construcción debido a su propiedades y costo final. Inicialmente, las fibras de polipropileno eran usadas únicamente en el hormigón para controlar la fisuración por retracción. Sin embargo, en la última década la industria química ha desarrollado fibras más grandes y con mejores prestaciones de adherencia, que permiten a estas fibras cumplir con requisitos para ser utilizadas estructuralmente. En este contexto, la presente tesis pretende ser una contribución al conocimiento sobre el hormigón reforzado con fibras (Fibre-reinforced concrete - FRC), especialmente en la efectividad de las fibras de polipropileno como refuerzo a cortante. Para esto, primero se realiza un estudio bibliográfico del hormigón reforzado con fibra de polipropileno (PFRC) como material y sus aplicaciones estructurales. Este estudio también tratará sobre los parámetros que afectan el comportamiento a cortante del hormigón tradicional y hormigón reforzado con fibras. Para evaluar la efectividad de las fibras de polipropileno en el cortante, se realizarán tres campañas experimentales. Cada campaña representa un nivel de estudio diferente. El primero es a nivel material en donde se evalúa el comportamiento a cortante a través de especímenes tipo Push-off. El segundo nivel, corresponde al estudio del cortante en elementos a escala real. Para esto se fabrican y ensayan vigas esbeltas críticas a cortante. El último nivel corresponde a una aplicación real de fibras de polipropileno actuando como refuerzo cortante. En esta campaña, se fabrican y ensayan placas alveolares de gran canto con secciones y condiciones de apoyos reales.

[CA] Diverses investigacions experimentals i teòriques han estat realitzades per entendre el comportament a tallant d'elements de formigó i les seues variables. No obstant això, hui en dia a causa de la complexitat del tema, el comportament a tallant d'elements de formigó armat i especialment aquells que no tenen reforç transversal, continuen sense tindre una explicació clara. D'altra banda, aquesta complexitat del tallant augmenta quan noves variables, com les fibres, s'incorporen a l'estudi. Investigacions han demostrat l'efectivitat de les fibres d'acer per a millorar les propietats mecàniques del formigó. Segons resultats experimentals, les fibres d'acer milloren la resistència a tallant i la ductilitat de certs elements. A més, en quantitats adequades, les fibres poden substituir total o parcialment els reforços tradicionals de tallant. És així que diversos codis internacionals han inclòs requisits per a tindre amb compte la resposta estructural de les fibres en els elements de formigó. No obstant això, aquests requeriments s'han creat originalment per al formigó reforçat amb fibres d'acer (Steel fibre-reinforced concrete -SFRC). Noves fibres amb diferents materials i formes, com les fibres macro-sintètiques, han estat introduïdes al mercat. Aquestes fibres, també anomenades fibres de polipropilè o poliolefina, són una alternativa a la construcció a causa de les seues propietats i cost final. Inicialment, les fibres de polipropilè eren usades únicament en el formigó per controlar la fissuració per retracció. No obstant això, en l'última dècada, la industria química ha desenvolupat fibres més grans i amb millors prestacions d'adherència, que permeten a aquestes fibres complir amb requisits per a ser utilitzades estructuralment. En aquest context, la present tesi pretén ser una contribució al coneixement sobre el formigó reforçat amb fibres (Fibre-reinforced concrete - FRC), especialment en l'efectivitat de les fibres de polipropilè com a reforç a tallant. Per això, primer es realitza un estudi bibliogràfic del formigó reforçat amb fibres de polipropilè (PFRC) com a material i les seues plicacions estructurals. Aquest estudi també tractarà sobre els paràmetres que afecten el comportament a tallant del formigó tradicional i del formigó reforçat amb fibres. Per avaluar l'efectivitat de les fibres de polipropilè en el tallant, es realitzaran tres campanyes experimentals. Cada campanya representa un nivell d'estudi diferent. El primer és a nivell material on s'avalua el comportament a tallant a través d'espècimens tipus Push-off. El segon nivell, correspon a l'estudi del tallant en elements a escala real. Per això es fabriquen i assagen bigues esveltes crítiques a tallant. L'últim nivell correspon a una aplicació real de fibres de polipropilè actuant com a reforç a tallant. En aquesta campanya, es fabriquen i assagen plaques alveolars de gran cantell amb seccions i condicions de suports reals.