refuerzo de estructuras de hormigón con frp. experiencias...

Refuerzo de estructuras de hormigón con FRP. Experiencias en UPC BarcelonaTech

Eva Oller Ibars

[email protected]

Profesora AgregadaDra. Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos

Departament d’Enginyeria Civil i Ambiental

mailto:[email protected]

1. Introducción

2. Polímeros reforzados con fibras

3. Refuerzo de estructuras de hormigón con FRP

4. Refuerzo a flexión

5. Refuerzo a cortante

6. Refuerzo a confinamiento

7. Refuerzo frente a sismo

8. Tratamiento normativo o en guías de diseño 2

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN

3

1. INTRODUCCIÓN

REFUERZO ESTRUCTURALModificación de una estructura, no necesariamente dañada, con el propósito deaumentar su capacidad portante en relación a su situación inicial

Causas: Pérdida de capacidad resistente Incremento de solicitaciones por un cambio de uso Errores de ejecución o de proyecto

4

Aumento de la capacidadportante de un edificio de uso industrial (S&P Clever Reinforcement Company)

Corrosión de las armaduras

1. INTRODUCCIÓN

5

TÉCNICAS DE REFUERZORecrecidos hormigón armado

Platabandas/ Camisas metálicas

Laminados polímeros reforzados con fibras (FRP)

1. INTRODUCCIÓN

POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)

6

2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)

7

MATERIAL COMPUESTO: es una combinación de dos o más constituyentes que difieren en forma o composición

• Los constituyentes se combinan a nivel macroscópico

• No son solubles entre ellos

• Las propiedades de los constituyentes por separado no son iguales a las propiedades del conjunto

Ejemplo: Ladrillos de adobe, S.VII a.C., Asia Menor

• Uno de ellos se denomina fase de refuerzo y el otro en el cual está embebido matriz


POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS

Material compuesto formado por una matriz de tipo polimérico (resina) reforzada con fibras continuas de vidrio (GFRP), de carbono (CFRP), de bassalto (BFRP) o de aramida (AFRP).

Fibras resistencia y rigidezMatriz (poliester, vinilester, epoxi) excelente adherencia, baja viscosidad y retracción

8

(Fib bulletin 40)


ORIGENIndustria aeronáutica y militar

9


ORIGEN

10

Industria deportiva

• Bicicletas• Raquetas de tenis• Bates de beisbol• Esquí• Náutica• Surf• Automovilismo• Motociclismo


ORIGEN

11

Industria deportiva



ORIGEN

12

Industria deportiva



ORIGEN

13

Industria deportiva



PROPIEDADES MECÁNICAS

• Láminas: Conjunto de fibras unidireccionales embebidas en una matriz(usualmente 40-60% de fibras Vf)

- dirección longitudinal: resistencia y rigidez de las fibras muy superior a la resina- dirección transversal: resistencia y rigidez de las fibras prácticamentenulas- comportamiento s-e lineal hasta rotura

14

FFFmFF VEVEVEE 111

F

m

FFFm

Fm

V

E

VEVE

EEE

1122

Material ortotrópico


Introducción1. Introducción

Fiber Angle (degrees)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Mo

du

lus

(GP

a)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

Mo

du

lus (M

si)0.0

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

17.5

20.0

Exx

Eyy

Gxy

Módulos de elasticidad en función del ángulo

de orientación de las fibras (GPa)


Fiber Angle (degrees)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Ultim

ate

Stre

ss (M

Pa

)

0

125

250

375

500

625

750

875

1000

1125

1250

1375

1500

1625

Ultim

ate

Stre

ng

th (k

si)

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

UTSxx

UTSyy

UTSxy

Introducción1. Introducción

Resistencia en función del ángulo

de orientación de las fibras (GPa)

Al combinar diferentes laminas en distintas direcciones se pierde rigidez y resistencia


17

Importancia Volumen de fibras Vf

FFFmFF VEVEVEE 111




18

Adaptada de (Carolin, 2003)

Material

Contenido de

fibras

(% en peso)

Densidad

(kg/m3)

Módulo

elástico

(GPa)

Resistencia a

tracción

(MPa)

Lámina de fibra de

vidrio y matriz de

poliéster (GFRP)

50 a 80 1600 a 2000 20 a 55 400 a 1800

Lámina de fibra de

carbono y matriz

de epoxi (CFRP)

65 a 75 1600 a 1900 120 a 250 1200 a 2250

Lámina de fibra de

aramida y matriz

de epoxi (AFRP)

60 a 70 1000 a 1250 40 a 125 1000 a 1800

Acero

convencional- 7850 200 400 a 500

Laminados FRP


VENTAJAS

• Relación resistencia/peso y rigidez/peso elevada en comparación conla de otros materiales convencionales (acero y hormigón)

• Ahorro en medios auxiliares

• Excelente durabilidad, requieren bajo mantenimiento

• Taylorability (fabricación “a medida”)

• Necesitan ¼ parte de la energía necesaria para fabricar acero(Sostenibilidad)

19


INCONVENIENTES

• Fragilidad (comportamiento elástico-lineal, no plastifica!!)

• Dificultad de uniones

• Resistencia al fuego, a actos vandálicos y daños accidentales si noestá protegido

• Dependencia de mano de obra cualificada

• Coste:Ejemplo Grafito/Epoxi 650-900 €/kgSin embargo, habría que comparar coste completo teniendo en

cuenta, el ahorro en medios auxiliares.

20


REFUERZO EXTERNO ESTRUCTURAS HORMIGÓN CON FRP

21

3. REFUERZO EXTERNO DE ESTRUCTURAS HORMIGÓN CON FRP

TIPOS DE REFUERZO

22


TIPOS DE REFUERZO

FRP refuerzo exterior (EBR, externally bonded reinforcement)1) laminado in situ (refuerzo a flexión, cortante, confinamiento)2) laminado prefabricado (refuerzo a flexión, cortante)

23

Refuerzo a cortante y de los pilares en la estación Internacional de Canfran (BASF)

Refuerzo a flexión de forjado (BASF)


TIPOS DE REFUERZO

FRP como refuerzo NSM (near surface mounted reinforcement)1) laminado FRP prefabricado2) barra de pequeño diámetro

24Dias and Barros (2011)

Jalali et al. (2012)


FRP refuerzo externo (EBR) o near surface mounted (NSM)

25

• Refuerzo a flexión de elementos armados o pretensados con laminado pasivo o activocon laminado in situ (EBR) o prefabricado (EBR, NSM)

• Refuerzo a cortante de elementos armados o pretensadoscon laminado in situ (EBR) o prefabricado (NSM)

• Confinamiento de pilarescon laminado in situ (EBR)


26

REFUERZO MEDIANTE LAMINADOS POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)

REFUERZO A FLEXIÓNCONFINAMIENTO DE PILARES

(Basf)

(S&P Clever Reinforcement Company)

REFUERZO A CORTANTE


FRP refuerzo externo (EBR)

27BASF (MBRACE)


FRP refuerzo a flexión

28

SIKA

4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP

29

1) FRP pasivo (no pretensado):

1.a) Comportamiento instantáneoProblemática, desprendimiento prematuro FRPFisuración, deformabilidad

1.b) Comportamiento diferidoFlechas diferidasEvolución adherencia con el tiempo

2) FRP activo (pretensado)


FRP refuerzo pasivo• Aplicaciones: Refuerzo a flexión de elementos armados o pretensados

30

BASF (MBRACE)

Forjado de viguetas pretensadas en TrinitatNova (Barcelona); BASF (MBRACE)


FRP refuerzo activo• Aplicaciones: Refuerzo a flexión de elementos armados o pretensados

31

SIKA

Sistemas FRP postesados: efectivos para controlar fisuraciónestructural y flechas, y para aumentar la resistencia a la fatiga


FRP pasivo

32


Comportamiento instantáneo FRP refuerzo a flexión

FRP refuerzo EBR pasivo• Dimensionamiento AFRP = nFRP x bFRP x tFRP ELU FLEXIÓN

EQUILIBRIO, COMPATIBILIDAD, ECS. CONSTITUTIVAS MATERIALES

• Problemática: DESPRENDIMIENTO PREMATURO DEL REFUERZO

33

Hip. a) Agotamiento del hormigónb) Agotamiento del refuerzo FRP

plastifica armadura

AFRP Md<Mu (As; AFRP)

Mu,debonding<Mu (As; AFRP)


FRP refuerzo EBR pasivo• Problemática: DESPRENDIMIENTO PREMATURO DEL REFUERZO

34

En la mayoría de ensayos experimentales de vigas reforzadas mediante la adhesión de laminados FRP (EBR o NSM) se produce el desprendimientoprematuro del refuerzo antes de alcanzar una rotura clásica



35

• Técnica NSM (near surface mounted reinforcement) permite retardar el desprendimiento del laminado mayor adherencia.

• Empleo de dispositivos mecánicos de anclaje.



INTERFASE HORMIGÓN-ADHESIVO-LAMINADO:

en el hormigón del recubrimiento

36



• Tipos:

Plate end debonding (PE) Critical Diagonal Crack (CDC) Intermediate crack (IC)

37



• Tipos:

Plate end debonding (PE) Critical Diagonal Crack (CDC) Intermediate crack (IC)

38

Se evita si se dispone de suficiente armadura transversal


FRP refuerzo EBR pasivo

La efectividad del refuerzo con FRP depende principalmente de la transmisiónde tensiones del laminado al soporte a través de la interfase

El proceso de desprendimiento del laminado se puede analizar a través de laformación y propagación de una fisura en la interfase

39

Desprendimiento del laminado se puede evitar si se limita la fuerza transmitida entre laminado y hormigón

FUERZA MÁXIMA TRANSMITIDA A TRAVÉS DE LA INTERFASE

• Problemática: DESPRENDIMIENTO PREMATURO DEL REFUERZO


FRP refuerzo EBR pasivo• PLATE END DEBONDING

40

Pmax

Es asimilable a un caso de elemento sometido a corte puro

Fuerza rasante máxima transmitida entre hormigón y laminado

depende de la long. adherida

lim

lim

lim0max

1

2sin

LL

LLL

L

PP

LM

LLF tEGL

2

2lim LLFL tEGbP 20


FRP refuerzo EBR pasivo• PLATE END DEBONDING

41

Pmax

Es asimilable a un caso de elemento sometido a corte puro

Fuerza rasante máxima transmitida entre hormigón y laminado

depende de la long. adherida

lim

lim

lim0max

1

2sin

LL

LLL

L

PP

LM

LLF tEGL

2

2lim LLFL tEGbP 20

Consenso en modelos teóricos: modelos difieren en la definición de los parámetros LM y GF


FRP refuerzo EBR pasivo• INTERMEDIATE CRACK DEBONDING

42

Modelos teóricos

Se basan en:Limitar la tensión o deformación en la sección más crítica (ACI440.2R-08 2008; CNR-DT200 R1/2012; JSCE 2001 (1); FIB Bulletin 90 simplifiedapproach; Teng et al. 2003; Lu 2004; López 2012)Limitar la tensión rasante entre dos fisuras o secciones (Fib Bulletin 90 accurate method; FIB Bulletin 14-Niedermeier 2000; FIB Bulletin 14-Matthys 2000; Finck and Zilch, 2012; Oller, 2005; Oller, 2013; Matthys 2012; JSCE 2001 (2))



Se basa en limitar la fuerza máxima transmitida en la interfase entre 2 fisuras

43

OLLER et al. (2009)

lim

lim

lim

lim

0max,

1

2sin

2cos1

1

LL

LLL

L

L

LPP

b

bb

b

scr

JL

IL

,

,

s

s



Fuerza máxima rasante entre 2 fisuras Diagrama interacción M-V

44

OLLER et al. (2009)

Oller (2009)




45

OLLER et al. (2009)

En la mayor parte de ensayos experimentales el fallo ocurre una vez plastifica la armadura en la sección más desfavorable

Si ss,J max = fy sL,J sL




46

OLLER et al. (2013)

Simplificación

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200

M (

kN

m)

V (kN)

(1)

(2)

(3)

Intermediate crack debonding

No Intermediate crack (IC) debonding




47

OLLER et al. (2013)

Simplificación

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 50 100 150 200

M (

kN

m)

V (kN)

(1)

(2)

(3)

Intermediate crack debonding

No Intermediate crack (IC) debonding


ANÁLISIS MEDIANTE MODELO DE ANÁLISIS NO LINEAL EVOLUTIVO

OBJETIVO: Evaluar adecuadamente el comportamiento de la estructura antes y después de la aplicación del refuerzo para diseñar de forma adecuada y eficiente la solución

MODELO DE ANÁLISIS NO LINEALY EVOLUTIVO EN EL TIEMPO

incorpora criterio para predecir el desprendimiento prematuro del refuerzo

P+P

P

P

x

bL

tL

Limitar esfuerzo rasante entre laminado y soporte

lim

lim

lim

lim

0max,

1

2sin

2cos1

1

LL

LLL

L

L

LPP

b

bb

b

scr

LM

LLF tEGL

2

2lim

LLFL tEGbP 20



Hormigón Acero FRP

Materiales

Idealización estructura



Refuerzo a flexión con laminados FRP adheridos externamente en vigas simplemente apoyadas prefisuradas (Oller, 2005) y en vigas continuas de dos vanos(El-Refaie et al, 2003)

(Oller, 2005)

(El-Refaie et al., 2003)


Campaña experimental El-Refaie et al. (2008)

Carga vs. desplazamiento en vigas E1, E2, E3 y E4. Comparación resultados numéricos y experimentales


FRP refuerzo EBR pasivo• FISURACIÓN

• Adoptar la separación de fisuras de pieza sin refuerzo

• FRP disminuye la separación de fisuras

52

Dificultad en estimar la separación media de fisuras

Crack pattern at failure load

Crack pattern at service load

ELEVATION B

20

BOTTOM VIEW

155

DT1

ELEVATION A

DT4

120

120

DT3

120

60

122

Dimensions in mm

160

20DT5

DT2

F

G9G6

G5

G13

G1 G11

G18G9

G24

G21

G23 G22G20G19G17

G3G2

G16G15G14

G7

G10


FRP refuerzo EBR pasivo• DEFORMABILIDAD

53

Existe evidencia experimental que la aplicación de FRP como refuerzo externo reduce las flechas instantáneas y las diferidas

Si el laminado FRP se aplica antes de cargar el elemento, la reducción de flecha instantánea y diferida es significativa en relación a la pieza sin refuerzo (25% en inst, y 10% en diferida) (situación irreal)

Si el laminado FRP se aplica una vez se ha producido la flecha instantánea, la reducción de flecha diferida no es significativa (0.4%)

Si el laminado FRP se aplica apeando la pieza, la flecha instantanea se reduce aprox. un 16% y la diferida se reduce en un 9% aprox.


54


FRP pasivo

Comportamiento diferido FRP refuerzo a flexión

• DEFORMABILIDAD. Flechas diferidas

FRP refuerzo EBR pasivo

55

• No existen recomendaciones al respecto en las guías de diseño• Pocos estudios experimentales sobre comportamiento a largo plazo:

Tan and Saha (2006) Mazzotti and Savoia (2007), Kim et al. (2009) Sobuz et al. (2012) Plevris and Triantafillou (1994) Al Chami et al. (2009) Müller et al. (2007)

• En vigas reforzadas con FRP fisuradas: Método simplificado cálculo flecha diferida (Marí et al. 2013)


Comportamiento diferido de secciones reforzadas con FRP fisuradas

• Sustained shear force V and bending moment M > Mcr at t0

• Strain and stresses in tensile steel reinforcement remain constant with time as observed by Stevens (1972) and Neville et al. (1983) and in FRP-strengthened beams by Al-Chami et al. (2009) es=0; ss=0

y


FRP refuerzo EBR pasivo• DEFORMABILIDAD. Flechas diferidas

57

• Mediante el refuerzo con FRP se reducen las flechas diferidas, aumenta la profundidad de la fibra neutra, aumenta el factor de curvatura de fluenciarespecto las vigas originales.

• La efectividad del FRP es mayor si se adhiere previo a la aplicación de la carga.

• El incremento de curvatura diferido depende de la curvatura instantánea, de la profundidad de la fibra neutra, del coeficiente de fluencia, de la retracción, y de las cuantías de armadura.


Verificación experimental método Marí et al. (2013)• Vigas ensayadas por Al Chami et al. (2009). Beam F4-1

50x1.2 mm CFRP laminate

Concrete fc,28=26.7MPafc,90=33.2MPa

Steel fy=400 MPaEs=190 GPa

CFRP ffu=2700 MPaEf=165 GPa

P/2 = 30 kN during 390 days

yinst exp = 8.20 mm ytot exp=15.1mm


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 100 200 300 400

y (

mm

)

Time (days)

Exp. Deflection

Theo. Deflection

ytot exp=15.1mm

ytot theo.=15.4mm (2% higher)

Verificación experimental método Marí et al. (2013)


0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

yti

me

,th

eo

. (k

N)

ytime,exp(kN)

Test ID

Theor./Exp.

Time Total

CB-59[1] 1.07 1.02

CB-70[1] 1.02 1.01

CB-85[1] 1.21 1.07

GB1-49[1] 1.00 1.00

GB1-59[1] 1.06 1.02

GB1-70[1] 1.13 1.04

GB3-40[1] 0.89 0.95

GB3-49[1] 1.00 1.00

GB3-59[1] 1.31 1.11

TN6[2] 1.03 1.01

TN7[2] 1.28 1.08

CBC[4] 0.93 0.97

FBC-1L[4] 1.07 1.02

FBC-2L[4] 1.24 1.07

FBC-3L[4] 1.44 1.13

Beam1[5] 0.71 0.86

Beam2[5] 0.72 0.84

Beam3[5] 0.88 0.93

F1-2[6] 0.78 0.92

F4-1[6] 1.02 1.01

F5-1[6] 1.03 1.01

F6-1U[6] 0.81 0.92

Mean 1.02 1.01COV 0.18 0.07

Verificación experimental método Marí et al. (2013)• Comparación con datos experimentales existentes


Desprendimiento del FRP depende de la transferencia de tensiones entre FRP y soporte

• La mayor parte de modelos exitentes para predecir el desprendimiento del laminado están enfocados al comportamiento a corto plazo.

• Comportamiento a largo plazo?

FRP refuerzo pasivo. Comportamiento diferido adherencia


• Tensiones tangenciales aumentan debido a la fluencia del hormigón

• El incremento de tensiones tangenciales puede reducir la resistencia a largo plazo

• Esta reducción se puede compensar con el incremento de propiedades del hormigón con el tiempo

Si las tensiones de adherencia aumentan en un porcentaje mayor que el incremento de resistencia de adherencia

desprendimiento FRP antes de lo esperado



0g q g qt

• Tensiones totales de adherencia en la interfase



• Ejemplo de aplicación

IC Debonding a Pu,exp=128.8 kN

1 laminado 100 mmx1.4 mmx 1800 mmEL=150 GPa



FRP refuerzo pasivo. Comportamiento diferido adherencia• Ejemplo de aplicación


Carga de servicio



Carga de rotura



FRP activo

69


FRP refuerzo externo (EBR) activo• Proceso de aplicación

70


• No existe suficiente experimentación sobre FRP pretensado como refuerzo de estructuras de hormigón armado o pretensado.

71

8 CAMPAÑAS EXPERIMENTALES EXISTENTES EN BIBLIOGRAFIA7 refuerzo FRP EBR pretensado

• S-K. Woo et al. (2008)• M. Kaluza y M. Hüppi (2007)• W. Xue et al. (2010)• R. Quantrill y L. Hollaway (1998)• D. Yang et al. (2009)• T. Triantafillou et al. (1992)

1 refuerzo FRP NSM pretensado• R. El-Hacha y M. Gaafar (2011)

FRP refuerzo externo EBR o NSM activo


FRP refuerzo externo (EBR) o NSM activo

72

• Ventajas FRP pretensado

•Desventajas FRP pretensado

Mejora el estado en servicio reduciendo las deformaciones estructurales Retrasa la aparición de fisuras, así como reduce su ancho Disminuye las tensiones resistidas por el acero Permite un uso más eficiente del hormigón y del FRP Reduce el riesgo de desprendimiento prematuro del laminado

X Requiere de técnicas de ejecución más complejas y costosasX Requiere dispositivos de anclaje en los extremos o sistemas auxiliaresX Falta de experiencia a largo plazoX Falta de un marco normativo comúnmente aceptado


73



Woo et al. (2008)

74



• Pérdidas diferidas de pretensado

FRP refuerzo a cortante

75

SIKA

5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP

76

SIKASIKA


1) Configuraciones (wrapped, U, side bonded)2) Problemática desprendimiento prematuro del refuerzo en U, S3) Contribución FRP resistencia a cortante4) Modelización numérica mediante análisis no lineal evolutivo con

deformación por cortante

FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Aplicaciones: Refuerzo a cortante de elementos armados o pretensados

77

Laminados in situ (sheets) Laminados prefabricados (strips)

SIKASIKA

S&P Clever reinforcement


FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Configuración refuerzo externo

78

Wrapped U-shaped Side bonded

Discontinuo Continuo


FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Configuración refuerzo externo

79

Wrapped U-shaped Side bonded

Discontinuo Continuo


FRP refuerzo near surface mounted (NSM) a cortante• Aplicaciones: Refuerzo a cortante de elementos armados o pretensados

80

SIKASIKA

Dias and Barros (2011)


FRP refuerzo EBR o NSM a cortante• PROBLEMÁTICA

• Desprendimiento prematuro del refuerzo en configuración U-shaped(EBR) o Side-bonded (EBR) (NSM)

81




82

SOLUCIÓN Dispositivos anclaje




83


Mofidi, Chaallal, Benmokrane, Neale (2013)




•Cuantificación de la resistencia última a cortante, contribución de FRP, interacción entre armadura transversal y FRP

84



FRP refuerzo EBR a cortanteCAMPAÑA EXPERIMENTAL EN UPC VIGAS HORMIGÓN ARMADO SECCIÓN EN T REFORZADAS A CORTANTE EBR FRP (20 ensayos)

85



86

2 sets of 5 beams (10 tests) with different ratios of longitudinal internal steel reinforcement (SEA: high rsL, SEM: medium rsL)

Failure tests in a simply supported configuration with a shear spanof 3d (1,480 mm).


Each set:•1 control beam•2 beams with a high CFRP reinforcement ratio (without/with anchorage)

•2 beams with a low CFRP reinforcement ratio (without/with anchorage)


87


Each set:•1 control beam•2 beams with a high CFRP reinforcement ratio (without/with anchorage)

•2 beams with a low CFRP reinforcement ratio (without/with anchorage)


88



89

Inclined shear crack in the web

Failure after shear crack in the flange

Control Beam SEM1. As = 2 x (4f16)

Flange contribution to the beam shear strength



90

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

V (x

=0)

(kN

)

Displacement (mm)

Beam SEM1a Control

Beam SEM4a high FRP ratio

Beam SEM5a low FRP ratio

Beam SEM4. As = 2 x (4f16) AL= 100 mm U-strips @ 240 mm

Test SEM4a. Peeling. Failure after crack in flange

Test SEM4b. Same behaviour as beam test 4a



91

Beam SEM2. As = 2 x (4f16) AL= 100 mm U-strips @ 240 mm with anchorage

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

V (x

=0)

(kN

)

Displacement (mm)

Beam SEM1a Control


Beam SEM2a high FRP ratio with anchorage



92

Beam SEM3. As = 2 x (4f16) AL= 50 mm U-strips @ 240 mm with anchorage

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

V (x

=0)

(kN

)

Displacement (mm)

Beam SEM1a Control


Beam SEM5a low FRP ratio

Beam SEM2a high FRP ratio with anchorage

Beam SEM3a low FRP ratio with anchorage


• Cuantificación de la contribución de cada una de las componentes de la resistencia a cortante

93

Vf, Vs, Vc (and Vflange)

V = Vc + Vs + Vf

V = Vunstrength + Vf


FRP refuerzo EBR a cortante

94


FRP refuerzo EBR a cortante

Sin anclaje

Con anclaje



•Cuantificación de la resistencia última a cortante, contribución de FRP

95


Modelos teóricos EBR y NSM


• Complejidad de los mecanismos resistentes a cortante en piezas hormigón armado.

• La mayor parte de las guías de diseño o recomendaciones existentes calculan el cortante último del elemento reforzado como la suma de las contribución del hormigón, armadura transversal existente y FRP.

FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Modelos teóricos

96

V = Vc + Vs + VFRP



97

• Complejidad de los mecanismos resistentes a cortante en piezas hormigón armado.

• La mayor parte de las guías de diseño o recomendaciones existentes calculan el cortante último del elemento reforzado como la suma de las contribución del hormigón, armadura transversal existente y FRP.

• Se considera que la suma de la contribución de hormigón y armadura transversal existente es el cortante último de la pieza sin reforzar .

V = Vc + Vs + VFRP

V = Vsin refuerzo + VFRP



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• Existe cierto consenso en que FRP puede modificar las contribuciones del hormigón y de la armadura transversal a la resistencia a cortante.

• FRP puede modificar el ángulo de inclinación de las bielas

• Se requiere identificar los mecanismos resistentes a cortante y su interacción

V = Vsin refuerzo + VFRP

VFRPu εfuEfuρf bwd


FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Modelos teóricos. Wrapped configuration

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ModelRectangular sections T-sections

# Min Mean Max COV # Min Mean Max COV

FIB Chapter 6 (2015) 110 0.09 2.16 10.29 84% 17 0.06 1.28 5.96 108%

DAfStb (2013) 110 0.10 2.50 11.24 81% 17 0.14 1.03 3.47 80%

TR-55 (2012) 110 0.11 2.71 12.37 92% 17 0.07 1.38 5.95 106%

CNR-DT200/2004 (2004) 110 0.10 1.76 6.03 70% 17 0.05 0.84 3.14 98%

ACI-440.2R-08 (2008) 58 0.40 3.04 12.37 85% 9 0.22 1.81 5.95 93%

Fib Bulletin 14 (2001) 98 0.06 0.84 2.10 50% 17 0.10 0.50 1.66 90%

Kotynia (2011) 110 0.06 1.26 5.78 81% 17 0.03 0.67 2.94 108%

Monti and Liotta (2007) 110 0.09 2.00 6.82 70% 17 0.06 0.94 3.43 98%

Monti and Liotta (2007), Vu 110 0.39 1.45 3.08 37% 17 1.20 1.55 2.25 17%


FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Modelos teóricos. U-shaped configuration

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ModelRectangular sections T-sections

# Min Mean Max COV # Min Mean Max COV

FIB Chapter 6 (2015) 114 0.03 1.08 4.72 78% 52 0.06 1.18 7.26 103%

DAfStb (2013) 67 0.12 1.07 2.91 55% 52 0.07 1.22 4.38 82%

TR-55 (2012) 114 0.03 1.03 4.18 70% 52 0.06 1.10 6.33 99%

CNR-DT200/2004 (2004) 114 0.04 0.92 3.48 72% 52 0.05 0.68 2.91 76%

ACI-440.2R-08 (2008) 67 0.14 1.30 4.18 61% 16 0.16 1.50 6.33 105%

Fib Bulletin 14 (2001) 109 0.05 0.73 2.24 55% 46 0.05 0.66 1.98 67%

Kotynia (2011) 114 0.09 1.46 6.13 66% 52 0.14 1.59 5.49 73%

Monti and Liotta (2007) 114 0.05 1.19 4.35 69% 52 0.06 0.86 3.63 75%

Monti and Liotta (2007), Vu 114 0.55 1.19 3.16 35% 52 0.51 1.41 2.67 33%


FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Análisis mediante modelo no lineal evolutivo con deformación por cortante CONSHEAR

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FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Análisis mediante modelo no lineal evolutivo con deformación por cortante CONSHEAR

• Configuraciones wrapped y U-shaped

• Implementación de modelo desprendimiento del laminado para el caso U-shaped.

• Modelización de campañas experimentales de vigas de sección rectangular obteniendo buenas correlaciones numérico-experimentales

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FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Análisis mediante modelo no lineal evolutivo con deformación por cortante CONSHEAR. • Campaña experimental Alzate (2012). Configuración wrapped

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FRP refuerzo externo (EBR) a cortante

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• Análisis mediante modelo no lineal evolutivo con deformación por cortante CONSHEAR. • Campaña experimental Alzate (2012). Configuración wrapped

Cortante vs. desplazamiento Cortante vs. Deformaciones en armadura transversal



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• Análisis mediante modelo no lineal evolutivo con deformación por cortante CONSHEAR. • Campaña experimental Alzate (2012). Configuración wrapped



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• Análisis mediante modelo no lineal evolutivo con deformación por cortante CONSHEAR. • Campaña experimental Alzate (2012). Configuración U-shaped



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Multi-action mechanical shear model (MASM) for reinforced and prestressedconcrete, with rectangular, I or T-sections w and w/o transverse reinforcement

Extensión del modelo a estructuras armadas con FRP, estructuras reforzadas con FRP, Shape memory alloys, Hormigón con fibras, Fatiga, punzonamiento


Campaña experimental para estudiar el efecto tamaño de elementos de hormigón armado Programa experimental: Vigas de canto 1 m, 1.5 m and 2 m Vigas se ensayan a cortante bajo carga puntual Se reforzarán con FRP y SMA y se ensayaran hasta rotura

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Aleaciones con memoria de forma (Shape memory alloys, SMA)

111


112


Medicina


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APLICACIONES EN ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN:

1. Armadura en elementos de hormigón armado2. Tendones de pretensado3. Conectores4. Arriostramientos5. Amortiguadores y aisladores6. SMA-FRP compuesto híbrido


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1. Armadura en elementos de hormigón armado

Reinforcing hinge area column:

Las columnas armadas con SMA pueden recuperar casi todala deformación post-plastificación, requiriendo mínimareparación incluso después de un sismo severo.

Saiidi and Wang (2006)

Saiidi and Wang (2006)

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Los alambres de SMA se comportan como un autopretensado capaz de cerrar las fisurascompletamente.

Las flechas debida a las cargas se recuperan completamente después de descargar. Ademásde obtener menores flechas y deformaciones.

Postesado sin gatos hidráulicos

http://www.paul.eu/spannen_baustelle+M52087573ab0.html

2. Tendones de pretensado

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3. Conectores

La fase martensita mejora el comportamiento de uniones metálicas atornilladas:

Las conexiones mostraron una elevada energía de disipación, elevada capacidadde ductilidad sin pérdida de resistencia después de estar sometidas a ciclos hastael 4% de deriva. Como el SMA estaba en estado martensítico durante el ensayo, secalentó para recuperar los desplazamientos residuales. Ocel et al. (2004)


5. Amortiguadores y aisladores

Sistema de aislamiento variable para puentes:

Los análisis han demostrado que para terremotos de magnitud media, las barrasde SMA aumentan la capacidad amortiguadora del mecanismo aislador debido ala transformación martensítica de la aleación, actuando como amortiguadorhisterético y como mecanismo de control de desplazamiento para sismos demayor magnitude. Wilde et al. (2000)

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Shape memory alloys

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https://www.youtube.com/watch?v=SXT6oJNIRVc

Grupo investigación Antoni Cladera, Carlos Ribas

https://www.youtube.com/watch?v=SXT6oJNIRVc

FRP refuerzo a confinamiento

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SIKA

6. REFUERZO A CONFINAMIENTO

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FRP refuerzo EBR a confinamiento

• Activa el estado multiaxial de tensiones

• Aumenta la resistencia del hormigón confinado:aumenta la capacidad resistente a axilaumenta la resistencia a cortante

• Resiste la expansión lateral

• Más eficiente en columnas circulares que de planta rectangular

• FRP se deforma elásticamente hasta tensiones elevadas, ejerce una acción de confinamiento hasta que rompen las fibras

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FRP refuerzo EBR a confinamiento

• Activa el estado multiaxial de tensiones

• Aumenta la resistencia del hormigón confinado:aumenta la capacidad resistente a axilaumenta la resistencia a cortante

• Resiste la expansión lateral

• Más eficiente en columnas circulares que de planta rectangular

• FRP se deforma elásticamente hasta tensiones elevadas, ejerce una acción de confinamiento hasta que rompen las fibras

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Ley constitutiva del hormigón confinado con FRP

• Al alcanzar la deformación de pico, ec2, el confinamiento está completamente activado.• La respuesta tensión-deformación se convierte en lineal con una pendiente que depende de la rigidez del FRP• Modelo de confinamiento basado en Lam and Teng (2003), adaptado para secciones rectangulares• Añadir confinamiento del FRP al de las armadura transversales existentes

FRP refuerzo frente a sismo

123

SIKA

7. REFUERZO FRENTE A SISMO

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SIKA


Consideraciones generales• Daño: Si demanda en desplazamiento es mayor que la capacidad de desplazamiento.

• Refuerzo con FRP es una medida efectiva para aumentar la ductilidad y la capacidad de deformación, evitando modos de fallo prematuros en elementos que no tienen detalles o disposiciones frente sismo.

• FRP jacketing se considera como una intervención local (evita fallo a cortante sin afectar la rigidez global que controla la demanda sísmica).

(Prota, 2019)

Fib Bulletin 90 (2019)

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SIKA


Consideraciones generales• Si es necesario reducir la demanda, la solución de refuerzo puede incluir medidas globales que aumenten la rigidez de la estructura.

• Medidas globales:

1) Añadir refuerzo longitudinal con FRP (NSM o EBR)2) RC jacketing de algunas de las columnas3) Añadir muros de corte de hormigón armado4) Añadir cruces de acero5) Añadir relleno a los muros de mampostería

Combinar estas medidas globales con FRP

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8. TRATAMIENTO NORMATIVO

Model Code 2010

Eurocódigo 2

Annex J. Strengthening of Existing Concrete Structures with FRP. 3rd Draft (31/10/2019)

Annex JA FRP Reinforcing. 3rd Draft (31/10/2019).

Annex J. Strengthening of Existing Concrete Structures with FRP. 3rd Draft

Annex JA FRP Reinforcing. 3rd Draft.

CEN/TC/250/SC2/WG1/TG1

Project Team 3

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8. TRATAMIENTO NORMATIVO

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8. TRATAMIENTO GUÍAS DE DISEÑO (EUROPEAS)

Fib Bulletin 90 (2019)

DAfStb (2013)

CNR-DT 200 R1/2012 (2012)

TR-55 (2012)

https://www.fib-international.org/publications/fib-bulletins/externally-applied-frp-reinforcement-for-concrete-structures-pdf-detail.html

https://www.fib-international.org/publications/fib-bulletins/externally-applied-frp-reinforcement-for-concrete-structures-pdf-detail.html

Refuerzo de estructuras de hormigón con FRP. Experiencias en la UPC BarcelonaTech

Eva Oller

[email protected]

Profesora AgregadaDra. Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos Departament d’Enginyeria Civil i Ambiental

mailto:[email protected]

refuerzo de estructuras de hormigón con frp. experiencias...

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