Caracterización y diseño del homigón reforzado con fibras plásticas

Abstract

En esta Tesis Doctoral se abordan aspectos de gran interés en relación a la caracterización del HRFP, la definición de una ecuación constitutiva considerando la orientación de las fibras, y el comportamiento diferido del material. Con ello se pretende contribuir a abrir el camino definitivo del HRFP como posible material de refuerzo frente a las tracciones en elementos con clara responsabilidad estructural y superar, de este modo, las barreras que existen en la actualidad. En primer lugar se analiza la validez de las metodologías de diseño propuestas en las distintas normativas y se evalúan los modelos constitutivos que en ellas se proponen. Para ello se han realizado dos campañas experimentales a escala real: la primera sobre elementos tipo vigas de hormigón reforzados con armadura mixta, es decir macro-fibras plásticas y armadura convencional y la segunda sobre losas hiperestáticas reforzadas únicamente con macro-fibras plásticas. En dicho análisis se ha observado que los planteamientos de análisis inversos tradicionalmente utilizados en dichas normativas conducen a una clara sobreestimación de los resultados experimentales para elementos únicamente reforzados con fibras plásticas. Ello es debido a que la configuración de los ensayos de caracterización a flexotracción y la geometría y orientación de las fibras en las probetas prismáticas utilizadas no son representativas de los elementos tipo losa. Así mismo, las ecuaciones constitutivas de EHE y RILEM (trilineal y multiilineal), son excesivamente optimistas para el cálculo de elementos únicamente reforzados con fibras plásticas. Todo ello pone de manifiesto la necesidad de revisar los modelos constitutivos propuestos en las normativas para el HRFP y proponer una nueva ecuación constitutiva para el diseño basada en una filosofía diferente. Como pasos previos hasta la definición de la nueva ecuación constitutiva con la que superar los inconvenientes de los enfoques actuales, se ha desarrollado un modelo analítico para convertir el desplazamiento de pistón (delta ) en TCOD, eliminando la necesidad de emplear la cadena extensométrica en el ensayo Barcelona. Adicionalmente, se ha propuesto un nuevo ensayo de caracterización (MDPT) con el que determinar la resistencia a fisuración, tenacidad y resistencia residual a tracción del HRF teniendo en cuenta de manera indirecta la orientación de las fibras según tres direcciones principales. Ambas propuestas se han validado en base a campañas experimentales con probetas y testigos de HRFP. Finalmente, se presenta y valida un nuevo planteamiento directo para predecir la respuesta postfisuración del HRFP a partir del ensayo MDPT. La nueva filosofía tiene sentido físico y refleja de forma fidedigna el comportamiento a tracción del material, considerando la orientación de las fibras bajo las condiciones reales de puesta en obra y geometría de la estructura. El comportamiento diferido del HRFP no debe convertirse en un inconveniente para el uso de este material siempre y cuando la consideración de sus efectos sea contemplada en el diseño estructural. Por ello, la Tesis se completa con el estudio de las deformaciones diferidas que se producen en elementos fisurados de HRFP cuando están sometidos a cargas de larga duración. Para ello se ha realizado un campaña experimental con la que se evalúa la influencia del nivel de carga y fisuración en el rendimiento a largo plazo del material bajo cargas mantenidas en el tiempo y se propone un modelo para predecir el comportamiento diferido de los HRFP en base a los resultados obtenidos.

This thesis discusses issues of great interest for the design of PFRC regarding its characterization, the definition of a constitutive equation for PFRC that takes into account the orientation of fibers and its long-term behavior. First, in addition to reviewing the key technical papers on the definition of constitutive equations, a detailed analysis of the main regulatory models proposed Europe-wide for the use of structural fibre-reinforced concrete is done. The intention is to provide an overview of the most relevant aspects of these models and the conceptual grounds on which they were developed. A detailed comparative study was conducted to determine the capacity of each model analyzed to predict PFRC structural behaviour. In this part, two real scale experimental campaigns are conducted: the first one with beams reinforced with both, macro-plastic fibers and conventional reinforcement and the second on hyperstatic slabs only reinforced with macro- plastic fibers. The results of the experimental campaigns are compared to the numerical results obtained with the constitutive equations analyzed. The inverse analysis approaches traditionally used for design of FRC lead to a clear overestimation of the experimental results in the case of the real-scale slabs, which were only reinforced with plastic fibres.This may be attributed to the characterization tests (flexural tests on small beams), whose test setup, geometry of the specimens and the fiber orientation are not representative the real-scale slabs. Likewise, the constitutive equations proposed by RILEM and EHE (trilinear and multilinear, respectively) are overly optimistic for the design of PFRC elements. This highlights the need to review the existing constitutive models for PFRC and propose a new constitutive equation, based on a different philosophy. As the first step to obtain a constitutive equation that overcomes the drawbacks of the existing approaches, an analytical model to transform the axial displacement (d) into TCOD in the Barcelona test is developed (eliminating the need to use in the chain gage). In addition to that, a new characterization test (MDPT) is proposed to determine the cracking strength, toughness and tensile residual strength of the PFRC indirectly considering the fiber orientation in three main directions. Both proposals are validated with experimental results. Finally, a new direct approach to predict the PFRC postcracking response by means of the MDPT test is presented and validated. The rational and comprehensive new approach provides physical insight that may be gathered into a straightforward procedure, in which the real orientation of the fibers (according to the casting method and the geometry of the structural application) is considered to obtain the tensile behavior of the material. Creep behavior of PFRC must not become an inconvenience for the use of this material as long as the its effects areconsidered in the structural design. Thus, this thesis includes the study of long-term deformations occurring in cracked specimens of FRCP when subjected to long-term loading. An experimental campaign iscarried out in order to evaluate the influence of load and cracking levels in the long-term performance of the material under maintained load over time. Based on the results, a simple model to predict the creep behavior of PFRC is proposed.