Estudio experimental de la adherencia entre laminados de GFRP y el hormigón

Abstract

[EN] At present, hybrid structures in flexural elements are being gradually incorporated in the field of civil and building structures. The low weight and high durability of these structures make use viable. Hybrid structures are usually composed of polymeric materials reinforced with glass or carbon fibers (GFRP or CFRP) in structural shapes of any type of section, in I, in box, trough-shaped, as elements working in tension, and the concrete in the compressed head of the resistant section. Due to this, the union of these materials and their excellent qualities allow for optimizing their mechanical performance in these positions.

The failure modes of these structures have different opinions (points of view) among researchers. Therefore, this thesis focuses first of all on the possibility of designing a beam with ductile failure mode that moves the break to the compressed head by fiber reinforced concrete(Appendix I). It is found in this study that it is not possible to analyze this option because after "shielding" all possible failure modes of the structure the break occurs by the grazing effort between GFRP and concrete , without checking the influence of HRF.

For this reason, the study is redirected and focused on the bond between GFRP and concrete by analyzing the influence of a series of surface treatments applied to the GFRP profile and the use of mechanical fasteners.

To do this without losing sight of applications in civil engineering and construction, and after analyzing the scientific information available, given that there are no standard tests of this type of hybrid beams trials, the need to provide a simple testing methodology arises to enable the study of this phenomenon.

That is why the adaptation of the pull-out test, usually for bars, is presented for rectandular section profiles. The complexity of this adaptation is solved by providing a number of modalities to the approach depending on the degree of confinement of the concrete over GFRP profile and the possibility of applying torque to the prestressed bolts, finally generating patterns 2C, 1CA, 1CE and 1CL. These patterns in turn are represented in the forms of connecting profiles with "in situ" concrete: flange profile embedded in the compression layer, or the top of the flange profile in contact with the compression layer.

In the modality 2C, the concrete is passively confining all faces of the GFRP profile; in the form 1CA, the concrete confines the two main faces of elements but one of them does not have surface treatment; in the form 1CE, one side of the profile is confined with surface treatment and the other one is not in contact with the concrete; and finally, in 1CL one side is in contact with the concrete and the other one is liberated from this to access profile and give torque to conduct a post-tensioning of the mechanical fastener, thus achieving an active confinement of concrete over GFRP profile.

Once clarified trial methodology, it is proceed to the characterization of the different proposed bond variables like a series of surface treatments such as sandblasting, and textured resins and a combination of both. Also fixed and moveable mechanical fastening elements are used providing them with a torque, sometimes only for fixing the profile GFRP and in other cases to achieve an active confinement of the concrete on the profile.

After the results, a proposal for characterizing the bond parameters is made and a variety of behavioral models based on bond stress-slip curves are analyzed, bringing innovations to the scientific community.

[ES] En la actualidad, poco a poco, se están incorporando las estructuras híbridas en elementos a flexión en el sector de las estructuras civiles y de edificación. El bajo peso y la gran durabilidad de estas estructuras hacen viable su utilización. Las estructuras híbridas están compuestas generalmente por materiales poliméricos reforzados con fibras de vidrio o carbono (GFRP o CFRP) en forma de perfiles estructurales de cualquier tipo de sección en I, en caja, en forma de artesa, como elementos que trabajan a tracción, y el hormigón en la cabeza comprimida de la sección resistente. Es por ello que la combinación de estos materiales y sus excelentes cualidades permiten optimizar su rendimiento mecánico en dichas posiciones.

Los modos de fallo de estas estructuras presentan diversidad de criterios entre los investigadores, y es por ello que en esta Tesis Doctoral se realiza en primer lugar un estudio (Anexo I) sobre la posibilidad de diseñar una viga con un modo de fallo dúctil, trasladando la rotura a la cabeza comprimida con hormigones reforzados con fibras. Así, en este estudio se comprueba que no es posible analizar dicho modo de fallo ya que tras "blindar" todos los posibles modos de fallo de la estructura la rotura se produce por esfuerzo rasante entre el perfil de GFRP y el hormigón, sin llegar a comprobar la influencia del hormigón reforzado con fibras.

Por ello se redirige el estudio y se inicia el análisis de la adherencia del GFRP y el hormigón, analizando la influencia de una serie de tratamientos superficiales aplicados al perfil de GFRP, así como el uso de elementos de fijación mecánica.

Para ello, y sin perder de vista las aplicaciones en obra civil y edificación, y después de analizar la información científica disponible, visto que no existen ensayos normalizados para el estudio de este tipo de vigas híbridas, se plantea la necesidad de aportar una metodología de ensayo sencilla que posibilite el estudio de este fenómeno.

Es por ello que se plantea la adaptación del ensayo de pull-out, habitual para barras, para su aplicación a perfiles de sección rectangular. La complejidad de esta adaptación se resuelve aportando una serie de modalidades al método, siendo el grado de confinamiento del hormigón sobre el perfil de GFRP y la posibilidad de aplicar par de apriete para postesar la tornillería lo que genera las modalidades de 2C, 1CA, 1CE y 1CL. Estas modalidades a su vez se ven representadas en las formas de conexión de los perfiles de GFRP con el hormigón en obra: ala o alma del perfil embebido en la capa de compresión, o la cara superior del ala del perfil en contacto con la capa de compresión.

En la modalidad 2C el hormigón se encuentra confinando pasivamente todas las caras del perfil de GFRP; en la modalidad 1CA el hormigón confina las dos caras principales, pero una de ellas no tiene tratamiento superficial; en la modalidad 1CE el hormigón confina pasivamente la cara del perfil que ha sido tratada superficialmente , mientras que la otra cara no está en contacto con el hormigón; y por último, en la modalidad 1CL una cara está en contacto con el hormigón y la otra está liberada de éste para tener acceso al perfil en la probeta híbrida y poder darle el par de apriete para realizar un postesado del elemento de fijación mecánica, consiguiendo así un confinamiento activo del hormigón sobre el perfil de GFRP.

Una vez clarificada la metodología del ensayo se procede a la caracterización de las distintas variables de adherencia propuestas, como son una serie de tratamientos superficiales tales como arenados, resinas y texturizados, así como combinaciones entre ellos; también se utilizan elementos de fijación mecánica fijos y con desplazamiento dotándolos de un par de apriete, unas veces solo para su fijación al perfil de GFRP y en otros casos para conseguir un confinamiento activo del hormigón sobre el perfil.

[CA] En l'actualitat, a poc a poc, s'estan incorporant les estructures híbrides en elements a flexió en el sector de les estructures civils i d'edificació. El baix pes i la gran durabilitat d'aquestes estructures fan viable la seua utilització. Les estructures híbrides estan compostes generalment per materials polimèrics reforçats amb fibres de vidre o carboni (GFRP o CFRP) en forma de perfils estructurals de qualsevol tipus de secció en I, en caixa, en forma d'artesa, com a elements que treballen a tracció, i el formigó en el cap comprimit de la secció resistent. És per açò que la unió d'aquests materials i les seues excel·lents qualitats permeten optimitzar el seu rendiment mecànic en aquestes posicions.

Les maneres de fallada d'aquestes estructures presenten diversitat de criteris entre els investigadors, és per açò que en aquesta Tesi Doctoral, en primer lloc es realitza un estudi (Annex I) per a estudiar la possibilitat de dissenyar una biga amb una manera de fallada dúctil traslladant el trencament al capdavant comprimit amb formigons reforçats amb fibra (HRF). Es comprova, en aquest estudi, que no és possible analitzar aquesta possibilitat ja que després de "blindar" totes les possibles maneres de fallada de l'estructura, el trencament arriba per esforç rasant entre el perfil de GFRP i el formigó, sense arribar a comprovar la influència del HRF.

És per açò que es redirigeix i s'inicia l'estudi en l'adherència del GFRP i el formigó, analitzant la influència d'una sèrie de tractaments superficials aplicats al perfil de GFRP així com l'ús d'elements de fixació mecànica.

Per açò, i sense perdre de vista les aplicacions en obra civil i edificació, i després d'analitzar l'informació científica disponible, vist que no existeixen assajos normalitzats per a l'estudi d'aquest tipus de bigues híbrides, es planteja la necessitat d'aportar una metodologia d'assaig senzilla que possibilite l'estudi d'aquest fenomen.

Es planteja mitjançant l'assaig de pull-out habitual per a barres, la seua aplicació en perfils de secció rectangular. La dificultat d'aquesta adaptació es resol aportant una sèrie de modalitats al mètode, sent el grau de confinament del formigó sobre el perfil de GFRP i la possibilitat d'aplicar parell d'estrenya per a postesar els caragols el que genera les modalitats de 2C, 1CA, 1CE i 1CL. Aquestes modalitats es veuen representades en les formes de connectar els perfils amb el formigó en obra: ala del perfil embegut en la capa de compressió, o la cara superior de l'ala del perfil en contacte amb la capa de compressió.

En la modalitat 2C el formigó es troba confinant passivament totes les cares del perfil de GFRP, en la modalitat 1CA el formigó confina les dues cares principals, però una d'elles no té tractament superficial, en la modalitat 1CE el formigó confina pasivament la cara del perfil que està tractada supercialment, mentres que l'altra cara no està en contacte amb el formigó, i finalment a la modalitat 1CL una cara està en contacte amb el formigó i l'altra està alliberada d'aquest per a tenir accés al perfil en la proveta híbrida i poder donar-li el parell d'estrenya per a realitzar un postesat de l'element de fixació mecànica, aconseguint així un confinament actiu del formigó sobre el perfil de GFRP.

Una vegada aclarida la metodologia de l'assaig es procedeix a la caracterització de les diferents variables d'adherència proposades, com són una sèrie de tractaments superficials tals com arenats, resines i texturitzats, així com combinacions entre ells; també s'utilitzen elements de fixació mecànica fixos i amb desplaçaments aplicant-los un parell d'estrenya, unes vegades solament per a la seua fixació al perfil de GFRP i en altres casos per a aconseguir un confinament actiu del formigó sobre el perfil.