refuerzo de estructuras de hormigón con frp. experiencias...
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Refuerzo de estructuras de hormigón con FRP. Experiencias en UPC BarcelonaTech
Eva Oller Ibars
Profesora AgregadaDra. Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos
Departament d’Enginyeria Civil i Ambiental
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
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
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)
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
ORIGENIndustria aeronáutica y militar
9
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
ORIGEN
10
Industria deportiva
• Bicicletas• Raquetas de tenis• Bates de beisbol• Esquí• Náutica• Surf• Automovilismo• Motociclismo
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
ORIGEN
11
Industria deportiva
• Bicicletas• Raquetas de tenis• Bates de beisbol• Esquí• Náutica• Surf• Automovilismo• Motociclismo
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
ORIGEN
12
Industria deportiva
• Bicicletas• Raquetas de tenis• Bates de beisbol• Esquí• Náutica• Surf• Automovilismo• Motociclismo
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
ORIGEN
13
Industria deportiva
• Bicicletas• Raquetas de tenis• Bates de beisbol• Esquí• Náutica• Surf• Automovilismo• Motociclismo
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
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
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
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)
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
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
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
17
Importancia Volumen de fibras Vf
FFFmFF VEVEVEE 111
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
PROPIEDADES MECÁNICAS
PROPIEDADES MECÁNICAS
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
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (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
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
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
2. POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
REFUERZO EXTERNO ESTRUCTURAS HORMIGÓN CON FRP
21
3. REFUERZO EXTERNO DE ESTRUCTURAS HORMIGÓN CON FRP
TIPOS DE REFUERZO
22
3. REFUERZO EXTERNO DE ESTRUCTURAS HORMIGÓN CON FRP
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)
3. REFUERZO EXTERNO DE ESTRUCTURAS HORMIGÓN CON FRP
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)
3. REFUERZO EXTERNO DE ESTRUCTURAS HORMIGÓN CON FRP
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)
3. REFUERZO EXTERNO DE ESTRUCTURAS HORMIGÓN CON FRP
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REFUERZO MEDIANTE LAMINADOS POLÍMEROS REFORZADOS CON FIBRAS (FRP)
REFUERZO A FLEXIÓNCONFINAMIENTO DE PILARES
(Basf)
(S&P Clever Reinforcement Company)
REFUERZO A CORTANTE
3. REFUERZO EXTERNO DE ESTRUCTURAS HORMIGÓN CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR)
27BASF (MBRACE)
3. REFUERZO EXTERNO DE ESTRUCTURAS HORMIGÓN CON FRP
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)
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo pasivo• Aplicaciones: Refuerzo a flexión de elementos armados o pretensados
30
BASF (MBRACE)
Forjado de viguetas pretensadas en TrinitatNova (Barcelona); BASF (MBRACE)
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP pasivo
32
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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
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Hip. a) Agotamiento del hormigónb) Agotamiento del refuerzo FRP
plastifica armadura
AFRP Md<Mu (As; AFRP)
Mu,debonding<Mu (As; AFRP)
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo EBR pasivo• Problemática: DESPRENDIMIENTO PREMATURO DEL REFUERZO
35
• Técnica NSM (near surface mounted reinforcement) permite retardar el desprendimiento del laminado mayor adherencia.
• Empleo de dispositivos mecánicos de anclaje.
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo EBR pasivo• Problemática: DESPRENDIMIENTO PREMATURO DEL REFUERZO
INTERFASE HORMIGÓN-ADHESIVO-LAMINADO:
en el hormigón del recubrimiento
36
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo EBR pasivo• Problemática: DESPRENDIMIENTO PREMATURO DEL REFUERZO
• Tipos:
Plate end debonding (PE) Critical Diagonal Crack (CDC) Intermediate crack (IC)
37
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo EBR pasivo• Problemática: DESPRENDIMIENTO PREMATURO DEL REFUERZO
• Tipos:
Plate end debonding (PE) Critical Diagonal Crack (CDC) Intermediate crack (IC)
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Se evita si se dispone de suficiente armadura transversal
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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))
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo EBR pasivo• INTERMEDIATE CRACK DEBONDING
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo EBR pasivo• INTERMEDIATE CRACK DEBONDING
Fuerza máxima rasante entre 2 fisuras Diagrama interacción M-V
44
OLLER et al. (2009)
Oller (2009)
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo EBR pasivo• INTERMEDIATE CRACK DEBONDING
Fuerza máxima rasante entre 2 fisuras Diagrama interacción M-V
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo EBR pasivo• INTERMEDIATE CRACK DEBONDING
Fuerza máxima rasante entre 2 fisuras Diagrama interacción M-V
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo EBR pasivo• INTERMEDIATE CRACK DEBONDING
Fuerza máxima rasante entre 2 fisuras Diagrama interacción M-V
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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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
ANÁLISIS MEDIANTE MODELO DE ANÁLISIS NO LINEAL EVOLUTIVO
Hormigón Acero FRP
Materiales
Idealización estructura
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
ANÁLISIS MEDIANTE MODELO DE ANÁLISIS NO LINEAL EVOLUTIVO
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)
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
Campaña experimental El-Refaie et al. (2008)
Carga vs. desplazamiento en vigas E1, E2, E3 y E4. Comparación resultados numéricos y experimentales
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo EBR pasivo• FISURACIÓN
• Adoptar la separación de fisuras de pieza sin refuerzo
• FRP disminuye la separación de fisuras
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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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo EBR pasivo• DEFORMABILIDAD
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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.
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
54
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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)
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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.
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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)
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
• 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
FRP refuerzo pasivo. Comportamiento diferido adherencia
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
0g q g qt
• Tensiones totales de adherencia en la interfase
FRP refuerzo pasivo. Comportamiento diferido adherencia
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
• 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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo pasivo. Comportamiento diferido adherencia• Ejemplo de aplicación
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
Carga de servicio
FRP refuerzo pasivo. Comportamiento diferido adherencia• Ejemplo de aplicación
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
Carga de rotura
FRP refuerzo pasivo. Comportamiento diferido adherencia• Ejemplo de aplicación
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo pasivo. Comportamiento diferido adherencia• Ejemplo de aplicación
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP activo
69
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) activo• Proceso de aplicación
70
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
• 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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
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
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
73
FRP refuerzo externo EBR o NSM activo
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
Woo et al. (2008)
74
FRP refuerzo externo EBR o NSM activo
4. REFUERZO A FLEXIÓN CON FRP
• Pérdidas diferidas de pretensado
FRP refuerzo a cortante
75
SIKA
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
76
SIKASIKA
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
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
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Configuración refuerzo externo
78
Wrapped U-shaped Side bonded
Discontinuo Continuo
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Configuración refuerzo externo
79
Wrapped U-shaped Side bonded
Discontinuo Continuo
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo near surface mounted (NSM) a cortante• Aplicaciones: Refuerzo a cortante de elementos armados o pretensados
80
SIKASIKA
Dias and Barros (2011)
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo EBR o NSM a cortante• PROBLEMÁTICA
• Desprendimiento prematuro del refuerzo en configuración U-shaped(EBR) o Side-bonded (EBR) (NSM)
81
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo EBR o NSM a cortante• PROBLEMÁTICA
• Desprendimiento prematuro del refuerzo en configuración U-shaped(EBR) o Side-bonded (EBR) (NSM)
82
SOLUCIÓN Dispositivos anclaje
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo EBR o NSM a cortante• PROBLEMÁTICA
• Desprendimiento prematuro del refuerzo en configuración U-shaped(EBR) o Side-bonded (EBR) (NSM)
83
SOLUCIÓN Dispositivos anclaje
Mofidi, Chaallal, Benmokrane, Neale (2013)
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo EBR o NSM a cortante• PROBLEMÁTICA
• Desprendimiento prematuro del refuerzo en configuración U-shaped(EBR) o Side-bonded (EBR) (NSM)
•Cuantificación de la resistencia última a cortante, contribución de FRP, interacción entre armadura transversal y FRP
84
SOLUCIÓN Dispositivos anclaje
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo EBR a cortanteCAMPAÑA EXPERIMENTAL EN UPC VIGAS HORMIGÓN ARMADO SECCIÓN EN T REFORZADAS A CORTANTE EBR FRP (20 ensayos)
85
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo EBR a cortanteCAMPAÑA EXPERIMENTAL EN UPC VIGAS HORMIGÓN ARMADO SECCIÓN EN T REFORZADAS A CORTANTE EBR FRP (20 ensayos)
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).
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
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)
FRP refuerzo EBR a cortanteCAMPAÑA EXPERIMENTAL EN UPC VIGAS HORMIGÓN ARMADO SECCIÓN EN T REFORZADAS A CORTANTE EBR FRP (20 ensayos)
87
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
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)
FRP refuerzo EBR a cortanteCAMPAÑA EXPERIMENTAL EN UPC VIGAS HORMIGÓN ARMADO SECCIÓN EN T REFORZADAS A CORTANTE EBR FRP (20 ensayos)
88
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo EBR a cortanteCAMPAÑA EXPERIMENTAL EN UPC VIGAS HORMIGÓN ARMADO SECCIÓN EN T REFORZADAS A CORTANTE EBR FRP (20 ensayos)
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
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo EBR a cortanteCAMPAÑA EXPERIMENTAL EN UPC VIGAS HORMIGÓN ARMADO SECCIÓN EN T REFORZADAS A CORTANTE EBR FRP (20 ensayos)
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
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo EBR a cortanteCAMPAÑA EXPERIMENTAL EN UPC VIGAS HORMIGÓN ARMADO SECCIÓN EN T REFORZADAS A CORTANTE EBR FRP (20 ensayos)
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 SEM4a high FRP ratio
Beam SEM2a high FRP ratio with anchorage
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo EBR a cortanteCAMPAÑA EXPERIMENTAL EN UPC VIGAS HORMIGÓN ARMADO SECCIÓN EN T REFORZADAS A CORTANTE EBR FRP (20 ensayos)
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 SEM4a high FRP ratio
Beam SEM5a low FRP ratio
Beam SEM2a high FRP ratio with anchorage
Beam SEM3a low FRP ratio with anchorage
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
• 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
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo EBR a cortante
94
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo EBR a cortante
Sin anclaje
Con anclaje
FRP refuerzo EBR o NSM a cortante• PROBLEMÁTICA
• Desprendimiento prematuro del refuerzo en configuración U-shaped(EBR) o Side-bonded (EBR) (NSM)
•Cuantificación de la resistencia última a cortante, contribución de FRP
95
SOLUCIÓN Dispositivos anclaje
Modelos teóricos EBR y NSM
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
• 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
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Modelos teóricos
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
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Modelos teóricos
98
• 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
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Modelos teóricos. Wrapped configuration
99
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%
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Modelos teóricos. U-shaped configuration
100
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%
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Análisis mediante modelo no lineal evolutivo con deformación por cortante CONSHEAR
101
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
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
102
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante• Análisis mediante modelo no lineal evolutivo con deformación por cortante CONSHEAR. • Campaña experimental Alzate (2012). Configuración wrapped
103
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante
104
• 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
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante
105
• Análisis mediante modelo no lineal evolutivo con deformación por cortante CONSHEAR. • Campaña experimental Alzate (2012). Configuración wrapped
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante
106
• Análisis mediante modelo no lineal evolutivo con deformación por cortante CONSHEAR. • Campaña experimental Alzate (2012). Configuración U-shaped
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante
107
• Análisis mediante modelo no lineal evolutivo con deformación por cortante CONSHEAR. • Campaña experimental Alzate (2012). Configuración U-shaped
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
FRP refuerzo externo (EBR) a cortante
108
• Análisis mediante modelo no lineal evolutivo con deformación por cortante CONSHEAR. • Campaña experimental Alzate (2012). Configuración U-shaped
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
109
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
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
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
110
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
Aleaciones con memoria de forma (Shape memory alloys, SMA)
111
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
112
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
Medicina
Aleaciones con memoria de forma (Shape memory alloys, SMA)
113
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
APLICACIONES EN ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN:
1. Armadura en elementos de hormigón armado2. Tendones de pretensado3. Conectores4. Arriostramientos5. Amortiguadores y aisladores6. SMA-FRP compuesto híbrido
Aleaciones con memoria de forma (Shape memory alloys, SMA)
114
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
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)
115
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
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
116
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
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. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
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)
117
Shape memory alloys
118
5. REFUERZO A CORTANTE CON FRP
https://www.youtube.com/watch?v=SXT6oJNIRVc
Grupo investigación Antoni Cladera, Carlos Ribas
FRP refuerzo a confinamiento
119
SIKA
6. REFUERZO A CONFINAMIENTO
120
6. REFUERZO A CONFINAMIENTO
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
121
6. REFUERZO A CONFINAMIENTO
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
122
6. REFUERZO A CONFINAMIENTO
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
124
SIKA
7. REFUERZO FRENTE A SISMO
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)
125
SIKA
7. REFUERZO FRENTE A SISMO
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
126
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
127
8. TRATAMIENTO NORMATIVO
128
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
Refuerzo de estructuras de hormigón con FRP. Experiencias en la UPC BarcelonaTech
Eva Oller
Profesora AgregadaDra. Ingeniera de Caminos, Canales y Puertos Departament d’Enginyeria Civil i Ambiental