Caracterización estadística de los modelos de confinamiento y determinación de coeficientes parciales de seguridad para el refuerzo de pilas de puentes de hormigón mediante materiales compuestos (CFRP)

Abstract

El continuo deterioro y/o daños causados en las estructuras de hormigón durante su vida útil, son fenómenos inevitables que conlleva el paso del tiempo y viene a ser un problema importante que ha conducido al desarrollo de nuevos materiales compuestos para el refuerzo estructural. En el caso de puentes, las situaciones en las que se hacen necesarias intervenciones de refuerzo pueden ser: estructuras afectadas por patologías inherentes a problemas de durabilidad, estructuras mal proyectadas y/o mal ejecutadas, estructuras que han sido dañadas por causas externas (impacto de vehículos, incendio, sismo, desastres naturales, etc.), estructuras afectadas por un cambio de uso o por un aumento de la carga de proyecto, o para soportar futuros sismos. Frente a ello, los métodos de refuerzo tradicional tales como el recrecido de hormigón, postensado exterior y refuerzo con chapas de acero, frecuentemente tienen desventajas inherentes como el incremento del peso de la estructura, la corrosión del acero y su elevado costo de manipulación y colocación. Ante estos inconvenientes, y más concretamente refiriéndonos al refuerzo de pilas de puentes, en años recientes se ha incrementado el uso de polímeros reforzados con fibra (FRP) como elemento de confinamiento de elementos de hormigón sometidos a compresión, debido a sus excelentes propiedades mecánicas y químicas, incrementando principalmente la resistencia y ductilidad de las pilas de hormigón. Sin embargo, su aplicación presenta aún lagunas que exigen seguir investigando aspectos como la falta de códigos y normas, la falta de experiencia en el comportamiento a largo plazo, la susceptibilidad al fuego, etc. Existen incertidumbres en las bases de cálculo durante el dimensionamiento de este refuerzo, una de ellas está precisamente en los coeficientes parciales de seguridad para el hormigón confinado que se deben adoptar en el diseño. Por ello, la presente tesis doctoral pretende aportar conocimientos en este campo, y más concretamente, definiendo dichos coeficientes parciales de seguridad para el hormigón confinado para el diseño del refuerzo de pilas de puentes de hormigón armado con polímeros reforzados con fibras de carbono (CFRP), mediante proceso de calibración basado en fiabilidad estructural. En ese sentido, primeramente, se ha recopilado toda la información bibliográfica disponible referida principalmente a dos aspectos: descripción de modelos de confinamiento para hormigón confinado con CFRP y datos de ensayos experimentales para la elaboración de una base de datos. Los modelos de confinamiento considerados en este estudio para elementos de hormigón de sección circular son de: Mander et al. 1988, Pilakoutas y Mortazavi 1997, Toutanji 1999, Spolestra y Monti 1999, Eid y Paultre 2008, Teng et al. 2009, Wu y Zhou 2010. Aplicando las expresiones de predicción de estos modelos a los datos experimentales recogidos en la base de datos, obtenemos como resultado tensiones y deformaciones últimas, y con ellos, mediante un análisis estadístico de valores teóricos respecto a valores experimentales para cada modelo de confinamiento, y, tras un análisis comparativo entre los diferentes modelos definimos el modelo que mejor ajuste presenta respecto a los datos experimentales (modelo de Teng et al. 2009). Para dicho modelo, se ha realizado la caracterización estadística. Puesto que es poco probable esperar que un formato de norma de diseño estructural pueda representar todas las situaciones de diseño, los sistemas estructurales y tipologías de pilas de puentes para los cuales se ha realizado la calibración en este estudio, son los puentes de tramo recto de varios vanos con pilas de hormigón armado tipo columnas circulares. Las pilas pueden estar formadas por un fuste único o bien por dos fustes. Esta tipología de tablero y de pila cubre la mayor parte de los puentes existentes en las actuales vías de comunicación. Para definir los coeficientes parciales de seguridad para el hormigón confinado γcc, se ha realizado la calibración basado en fiabilidad estructural, para un rango posible de soluciones de refuerzo con CFRP en las tipologías de pilas de puentes de los sistemas estructurales estudiados. Para ello, se tienen en cuenta las incertidumbres de las variables que intervienen, y mediante simulación se caracterizan estadísticamente las variables de resistencia y solicitación. Teniendo caracterizadas estas dos variables, según los niveles requeridos de seguridad estructural se determina la probabilidad de fallo o índice de fiabilidad para diferentes valores de γcc. Los coeficientes parciales de seguridad quedarán definidos para aquellas situaciones, tales que, los índices de fiabilidad calculados en las pilas reforzadas dimensionadas con dichos coeficientes, den valores iguales o superiores al índice de fiabilidad objetivo, que en este estudio se ha fijado en . Finalmente, la propuesta de coeficientes parciales de seguridad a utilizar es la siguiente: γcc = 1,15 para tmín ≤ t ≤ 2 mm γcc = 1,30 para t > 2mm

The continuous deterioration and/or damages caused in the concrete structures during their lifetime, are unavoidable phenomena which the passage of time entails and gets to be an important problem that it has led to the development of new composite materials used for the structural reinforcement. The methods of traditional reinforcement such as concrete increased, prestressed exterior and the reinforcement with steel sheets, frequently they have inherent disadvantages like the increase of the weight of the structure, the corrosion of the steel and its high cost of manipulation and positioning. Given these disadvantages, and more specifically referring us to the reinforcement of pillars of bridges, in recent years the use of fibre reinforced polymers (FRP) has increased as an element of confinement.

However, its use still still shows some gaps which demand to continue investigating some of their aspects such as the lack of codes and rules, the lack of experience in the long term behaviour, the susceptibility to the fire, etc. Uncertainties exist in the calculation bases along the dimensioning of this reinforcement, one of them precisely lays in the partial coefficients of safety for the confined concrete that must be to adopted in the design.

For this purpose, the present doctoral thesis tries to contribute knowledge in this field, and more specifically, defining these partial coefficients of safety of the confined concrete for the design of the reinforcement of bridge pillars of reinforced concrete with carbon fibre reinforced polymers (CFRP), by means of calibration process based on structural reliability.

In this sense, firstly, has been compiled all the bibliographical information available mainly referred to two aspects: description of confinement models for confined concrete with CFRP and data obtained from experimental tests for the elaboration of a data base. Applying the prediction expressions of confinement models to the experimental data collected in the data base, we obtain as a result the stresses and strains ultimate, and from them, by means of a statistical analysis of theoretical values in respect to experimental values for each single model of confinement, and, after a comparative analysis between the different models we define the model that beste adjustment presents with respect to the experimental data (model of Teng et al.). For this model, the statistical characterization has been performed.

Since it is unlikely to expect that a structural design frame rule may represent all the situations of design, the structural systems and typologies of bridge pillars for which the calibration has been performed in this study, are the bridges of straight section with several spans with reinforced concrete pillars of the type of circular columns. The pillars can be formed by a only fust or by two fusts. This typology of roadway and pillar covers most of the existing bridges in the current communication routes.

In order to define the partial coefficients of safety for the confined concrete ¿cc, the calibration has been performed based on structural reliability, for a possible range of solutions of reinforcement with CFRP in the typologies of bridges pillars of the studied structural systems. For such a purpose, the uncertainties related of the variables which intervene have been taken into consideration, and by means of simulation the variables of strength and stress have been statistically characterized. Once these two variables have been characterized, according to the required levels of structural safety the probability of failure or reliability index for different values of ¿cc has been determined. The partial coefficients of safety will be defined for those situations, such that, the reliability indexes calculated in the reinforced pillars dimensioned with such coefficients, give results equal or higher than the objective reliability index, which has been established in ß=3,5 in this study.

La contínua deterioració i/o danys causats en les estructures de formigó durant la seva vida útil, són fenòmens inevitables que comporta el pas del temps i es convertix en un problema important que ha conduït al desenvolupament de nous materials composts per al reforç estructural. En el cas de ponts, les situacions en les quals es fan necessàries intervencions de reforç poden ser: estructures afectades per patologies inherents a problemes de durabilitat, estructures mal projectades i/o mal executades, estructures que han estat danyades per causes externes (impacte de vehicles, incendi, sisme, desastres naturals, etc.), estructures afectades per un canvi d'ús o per un augment de la càrrega de projecte, o per suportar futurs sismes. Davant tot això, els mètodes de reforç tradicional tals com el recrescut de formigó, post tensat exterior i reforç amb xapes d'acer, freqüentment tenen desavantatges inherents com ara el increment del pes de l'estructura, la corrosió de l'acer i el seu elevat cost de manipulació i col·locació. Davant aquests inconvenients, i més concretament fent esment al reforç de pilars de ponts, en anys recents s'ha incrementat l'ús de polímers reforçats amb fibra (FRP) com a element de confinament d'elements de formigó sotmesos a compressió, a causa de les seves excel·lents propietats mecàniques i químiques, incrementant principalment la resistència i ductilitat de les pilars de formigó. No obstant això, la seva aplicació presenta encara punts foscos que exigeixen seguir investigant aspectes com la falta de codis i normes, la falta d'experiència en el comportament a llarg termini, la susceptibilitat al foc, etc. Existeixen incerteses a les bases de càlcul durant el dimensionament d'aquest reforç, una d'elles està precisament en els coeficients parcials de seguretat per al formigó confinat que s'han d'adoptar en el disseny. Per això, la present tesi doctoral pretén aportar coneixements en aquest camp, i més concretament, definint aquests coeficients parcials de seguretat per al formigó confinat per al disseny del reforç de pilars de ponts de formigó armat amb polímers reforçats amb fibres de carboni (CFRP), mitjançant procés de calibratge basat en fiabilitat estructural. En aquest sentit, primerament, s'han recopilat tota la informació bibliogràfica disponible referida principalment a dos aspectes: descripció de models de confinament per a formigó confinat amb CFRP i dades d'assajos experimentals per a l'elaboració d'una base de dades. Els models de confinament considerats en aquest estudi per a elements de formigó de secció circular són de: Mander et al. 1988, Pilakoutas i Mortazavi 1997, Toutanji 1999, Spolestra i Monti 1999, Eid i Paultre 2008, Teng et al. 2009, Wu i Zhou 2010. Aplicant les expressions de predicció d'aquests models a les dades experimentals recollides en la base de dades, obtenim com resultat tensions i deformacions últimes, i amb ells, mitjançant una anàlisi estadística de valors teòrics respecte a valors experimentals per a cada model de confinament, i, després d'una anàlisi comparativa entre els diferents models definim el model que millor ajust presenta respecte a les dades experimentals (model de Teng et al. 2009). Per a aquest model, s'ha realitzat la caracterització estadística. Ates que és poc probable esperar que un format de norma de disseny estructural pugui representar totes les situacions de disseny, els sistemes estructurals i tipologies de pilars de ponts pels quals s'ha realitzat el calibratge en aquest estudi, són els ponts de tram recte de diverses obertures amb pilars de formigó armat tipus columnes circulars. Les pilars poden estar formades per un fust únic o bé per dos fustos. Aquesta tipologia de tauler i de pilar cobreix la major part dels ponts existents en les actuals vies de comunicació. Per tal de definir els coeficients parcials de seguretat per al formigó confinat γcc, s'ha realitzat el calibratge basat en fiabilitat estructural, per a un rang possible de solucions de reforç amb CFRP en les tipologies de pilars de ponts dels sistemes estructurals estudiats. Per a això, es tenen en compte les incerteses de les variables que intervenen, i mitjançant simulació es caracteritzen estadísticament les variables de resistència i sol·licitació. Tenint caracteritzades aquestes dues variables, segons els nivells requerits de seguretat estructural es determina la probabilitat de fallada o índex de fiabilitat per a diferents valors de γcc. Els coeficients parcials de seguretat quedaran definits, per a aquelles situacions, tals que, els índexs de fiabilitat calculats en les pilars reforçades dimensionadas amb aquests coeficients donin valors iguals o superiors a l'índex de fiabilitat objectiu, que en aquest estudi s'ha fixat en β = 3,5. Finalment, la proposta de coeficients parcials de seguretat a utilitzar és la següent: γcc = 1,15 per a tmín ≤ t ≤ 2 mm