Comportamiento de vigas de concreto armado reforzadas externamente con platinas de fibras de carbono

Abstract

La necesidad de refuerzo estructural en una infraestructura existente puede venir motivada por la aparición de nuevos condicionantes de uso o por la degradación de los materiales. Desde finales de los años sesenta, la técnica del refuerzo mediante la adhesión de platabandas metálicas se ha llevado a la práctica como alternativa a otros métodos de refuerzo tradicionales. Sin embargo, las platabandas metálicas presentan algunas desventajas, como son su peso y su posible corrosión por agentes atmosféricos, que pueden solventarse sustituyéndolas por laminados de polímeros reforzados con fibras de carbono (FRP). Estos materiales poseen relaciones resistencia/peso y rigidez/peso mayores que el acero, facilitando su colocación, reduciendo costos y plazos de ejecución. Por ello, desde su aparición en los años noventa, se ha observado un uso creciente de los laminados FRP en el campo del refuerzo estructural. En numerosos estudios empíricos se observa como la aplicación de laminados FRP adheridos al concreto puede resultar en una rotura frágil que conduce al desprendimiento prematuro del refuerzo externo antes de alcanzar la carga última. Este desprendimiento del laminado FRP suele iniciarse en el recubrimiento, es decir, en el punto más débil de la interfase entre concreto y la platina o lamina de fibra de carbono, bien sea por tensiones excesivas en sus extremos, bien sea por el efecto de las fisuras de flexión o cortante en zonas alejadas al anclaje. El presente estudio pretende explicar el comportamiento de la interfase entre el concreto y la platina FRP de modo de intentar entender este tipo de falla prematura por desprendimiento de la platina. Se ha prestado especial atención a la transferencia de tensiones de la platina ó lamina FRP al concreto. En el Capítulo 1, estará dirigido establecer de manera introductoria los fundamentos para el reforzamiento a flexión de vigas con platinas de fibra de carbono, las propiedades mecánicas de los adhesivos epóxicos, las platinas y láminas de fibras de carbono. Del mismo modo, se han catalogado los tipos de falla observados en vigas de concreto reforzadas externamente con platinas de fibra de carbono y se plantearán los fundamentos teóricos elásticos para el reforzamiento de vigas sujetas a flexión. En el capítulo 2, se estudian mecanismos no lineales de fractura para analizar el comportamiento de la interfase sujeta a cortante puro. Se establecerán las ecuaciones que gobiernan la interfase y se determinarán las relaciones entre el esfuerzo cortante ! desplazamiento relativo en la interfase. Así mismo, se analizará el comportamiento de la interfase a través de los distintos estados lineales y no lineales en la interfase hasta la falla por perdida de adherencia o desprendimiento de la platina. Se establecerán criterios de energía para el cálculo de la fuerza de transferencia. En el capítulo 3, se estudiará el comportamiento de la interfase en vigas. Se plantearán las ecuaciones que gobiernan en la interfase y la distribución de esfuerzos cortantes y esfuerzos axiales en la platina para los distintos estados en tramos entre grietas y entre el extremo de la platina y la grieta más cercana. En el capítulo 4, se presenta el programa experimental de ensayos para elementos de concreto con platinas o láminas de fibras de carbono adheridas. Se prepararon dos especímenes de concreto con platinas y láminas FRP sujetos a cortante simple y ocho vigas de concreto armado reforzadas a flexión con platinas y láminas de fibras de carbono sujetos a flexión y cortante por carga ultima. Se hacen algunas comparaciones entre los resultados. En el capítulo 5, se comentan comenta de forma breve el estado del arte para los códigos alemán y estadounidense. El estudio mostrado en la presente tesis fue desarrollado bajo el convenio marco de cooperación, de fecha 07 de Noviembre de 2005, entre la Universidad Nacional de Ingeniería de Perú, la Universidad de Ciencias Aplicadas de Regensburg de Alemania y la Universidad Autónoma Metropolitana, unidad Azcapotzalco de México que tuvo por finalidad el desarrollo e Implementación de Módulos de Enseñanza sobre la Rehabilitación y el Reforzamiento de Construcciones Existentes.

The strengthening of aging infrastructures is in most cases required because of the necessity for increased levels of service loads or because of the degradation of structural materials. The technique of strengthening by externally bonding steel plates has been in practice as an alternative to other traditional methods since the late 1960!s. However, steel plates present some disadvantages in terms of weight and corrosion that can be solved by replacing them with fiber reinforced polymer (FRP) laminates. FRP laminates provide benefits such as high strength-to-weight and stiffness-to-weight ratios, corrosion resistance as well as reduced installation costs due to their easy-handling. As a result, FRP laminates have been used extensively to strengthen reinforced concrete structures in many parts of the world since the 1990!s. Existing experimental work has shown that the application of externally bonded laminates FRP can result in a catastrophic brittle failure in the form of a premature debonding of the laminate before reaching the design load. Since the weakest point in the bond between the concrete and the external reinforcement is the concrete layer near the surface, the most common laminate debonding occurs in the concrete cover along a weakened layer or along the embedded steel reinforcement. Laminate debonding can initiate in areas far from the anchorage zone due to the effects of flexural or shear cracks, or can initiate at the laminate end due to a high stress concentration at the cut-off point. This study aims to explain the behavior of the interface between concrete and FRP plate in order to understand this type of premature failure by debonding of the plate. Special attention has been drawn on to transfer of stresses from laminate to concrete through the interface. In Chapter 1, is leaded to establish in an introduction way the basis for flexural strengthening beams with carbon fiber plates, the mechanical properties of epoxy adhesives, and carbon fiber sheets and laminates. Similarly, we have listed the types of failure observed in externally reinforced concrete beams with carbon fiber plates and raise the theoretical foundations for the reinforcement of elastic beams subjected to bending. In chapter 2, we study nonlinear fracture mechanisms to analyze the behavior of the interface subjected to pure shear. We will establish the equations governing the interface and determine the relationship between the shear stress - relative displacement at the interface. Also, we will analyze the behavior of the interface through different linear and nonlinear states at the interface until failure by debonding or cover lamination. Energy criteria will be established for the calculation of the transference force. In chapter 3, we study the behavior of the interface beams. It will identify the governing equations at the interface and the distribution of shear forces in the interface and axial forces on the bonded laminate for different states in sections between cracks and between the end of the laminate and the nearest crack. Chapter 4 presents the experimental program of tests for concrete elements with plates or sheets of carbon fibers bonded. Two specimens were prepared concrete with FRP plates and sheets subject to simple shear force and eight reinforced concrete beams strengthened in bending with plates and sheets of carbon fibers subjected to bending and shear ultimate load. Some comparisons are made between the results. In chapter 5, we discuss briefly discusses the state of the art for the German and U.S. codes. The study of this thesis was developed under the cooperation framework agreement, dated November 7, 2005, between the National Engineering University of Peru, the University of Applied Sciences in Regensburg in Germany and the Autonomous Metropolitan University, Azcapotzalco of Mexico was aimed at the development and implementation of Teaching Modules on Rehabilitation and Strengthening of Existing Buildings.