View
251
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
Nuevos materiales en ingeniería civil. Los materiales compuestos.
Angel Arteaga y Ana de Diego Instituto de Ciencias de la Construcción E. Torroja-CSIC
INSTITUTO DE CIENCIAS DE LA CONSTRUCCIÓN E. TORROJAINSTITUTO DE CIENCIAS DE LA CONSTRUCCIÓN E. TORROJA
• Materiales compuestos. FRP
• Características
• Durabilidad
• Aplicaciones en estructuras.
Características
Materiales compuestos. FRP
Nuevos materiales en ingeniería civil. Los materiales compuestos.
Materiales Compuestos
• Formados por la combinación de dos o más materiales, a
escala macroscópica, con el fin de obtener un material con
mejores propiedades que los materiales constituyentes
• Son materiales compuestos:
o Adobe
o Hormigón
o Hormigón armado
o Madera
Polímeros armados con fibras FRP
Constituidos por fases:
• La fase de refuerzo (fibras) aporta propiedades resistentes • La fase matriz mantiene la integridad geométrica
del material y transmite las cargas entre las fibras
MatrizMatriz polimpolimééricarica
FibrasFibras
Propiedades de los materiales compuestos avanzados (FRP)
Ventajas
• Relaciones rigidez/peso y resistencia/peso; fatiga y tolerancia al daño
• Resistencia a la corrosión; transparencia a ondas electromagnéticas; aislamiento
• Bajo consumo de energía en fabricación; facilidad y rapidez de colocación
• Versatilidad
Propiedades de los materiales compuestos avanzados (FRP)
Inconvenientes:
¿Por qué no es tan común en construcción como en
otras áreas de Ingeniería?
• Inercia del sector. Falta de códigos y Guías de uso
• Desconocimiento del comportamiento a largo plazo
• Elevado precio inicial
o No se tiene en cuenta el menor mantenimiento
o Habría que considerar el ciclo de vida completo
Materiales constituyentes: Fibras
• Responsables de las propiedades resistentes del FRP • Diámetro muy pequeño ( m) • Relación longitud/diámetro muy grande • Comportamiento elástico lineal
Fibras usadas en ingeniería civil:
• Vidrio (GFRP)
• Carbono (CFRP)
• Aramida (AFRP)
• Otras en estudio (basalto, vegetales, ...)
Fibras de vidrio
• Bajo coste
• Las más utilizadas
• Distintos tipos:
o E-Glass
o R-Glass
o AR-Glass (resistentes a los álcalis del hormigón)
• Elevada resistencia, módulo de elasticidad moderado,
densidad media
• Aplicaciones donde no sea crítica la relación módulo/peso
Fibras de carbono
• Coste elevado
• Mejores características mecánicas. Elevados módulo y
resistencia, baja densidad
• Mejor durabilidad y comportamiento en fatiga
• Distintos tipos, función del módulo:
o Standard → 250-300 GPa
o Intermedio → 300-350 GPa
o Alto → 350-550 GPa
o Ultra-alto → 550-1000 GPa
• Las más empleadas en refuerzo de estructuras
Fibras de aramida
• Coste moderado a alto
• Dos tipos (módulo elástico 60 y 120 GPa)
• Elevadas resistencias a tracción y a impacto, módulo intermedio y bajo peso
• Posible degradación por UV, absorción de humedad
• Para aplicaciones concretas se empiezan a utilizar: acero, basalto, vegetales, etc.
Otras fibras
Criterio
Tipo de Fibra
Carbono Aramida Vidrio
Resitencia a
tracción
Muy bueno Muy bueno Muy bueno
Módulo de
Elasticidad
Muy bueno Bueno Adecuado
Comportamiento a
largo plazo
Muy bueno Bueno Adecuado
Fatigua Excelente Bueno Adecuado
Densidad Bueno Excelente Adecuado
Resistencia a los
álcalis
Muy bueno Bueno Adecuado
Precio Adecuado Adecuado Muy bueno
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
Ten
sión
(MP
a)
Deformación (%)
0 1 2 3 4 5
Vidrio-EVidrio-EAramidaAramidaCarbono estándarCarbono estándarCarbono alto-móduloCarbono alto-móduloCarbono ultra alto-móduloCarbono ultra alto-móduloAceroAcero
Propiedades de las fibras
Propiedad Carbono HM Carbono S Vidrio E Kevlar 49
Diámetro [µm]
Densidad [103 kg/m3]
Módulo elasticidad [GPa]
Resistencia a tracción [GPa]
Alargamiento de rotura [%]
7,0 – 9,7
1,95
390
2,2
0,5
7,6 – 8,6
1,75
250
2,7
1,0
8 – 14
2,56
76
1,4 – 2,5
1,8 – 3,2
11,9
1,45
125
2,8 – 3,6
2,2 – 2,8
.
Materiales constituyentes: Matrices
Funciones:
• Unir las fibras entre sí
• Proteger las fibras de la abrasión y del deterioro por la
acción del medio
• Separar las fibras y dispersarlas dentro del FRP
• Transferir las fuerzas entre las fibras individuales
• Debe ser química y térmicamente compatible con las fibras
Dos tipos:
• Termoplásticas
• Termoestables – usadas en ingeniería estructural
Resinas termoestables en construcción
• Poliésteres o Muy utilizados en perfilería de FRP o Baratos, de fácil procesado
• Vinilésteres o Usados comúnmente en barras de FRP (resistencia a
álcalis) o Reducidas absorción de humedad y retracción o Más caras
• Epoxis o Usadas en wet lay-up y fabricación de laminados o Excelentes características de adhesión o Los mayores costes
Materiales compuestos: FRP
• Las propiedades del FRP dependen de:
o Propiedades de los componentes y su proporción
o Orientación de las fibras
o Proceso de fabricación
• FRPs Unidireccionales
o Fibras en una sola dirección
o Mayores resistencia y rigidez en la dirección de las fibras
• FRPs Multidireccionales (laminados)
o Fibras en varias direcciones
o Propiedades a la carta
• Elásticos hasta la rotura (sin plastificación)
Fibra
εm,ult εf,ult
σm,ult σ’m
σf,ult Tensión, σ
Deformación, ε
Matriz
Materiales compuestos: FRP
fmfultfultfrp VV V1',, m'f ,frp
mfmfffmmfrp EVEEVEVEE EEEE
FRP frente a Acero
• Comportamiento lineal elástico hasta rotura
• Sin plastificación
• Mayor resistencia última
• Menor deformación a rotura
• Módulo de elasticiad comparable (CFRP-Acero)
Deformación [%]
1 2 3
500
1000
1500
2000
2500
Ten
sió
n [
MP
a]
Acero
CFRP
GFRP
Fabricación de FRP
1. Pultrusión:
• barras, perfiles, bandas para refuerzo
Inyección de resina
Fibras
Calor y curado Dispositivo de tiro Corte
Ventilación
Fabricación de FRP
2. Wet lay up
• Tejidos de fibra saturados en resina se colocan sobre un molde o un elemento estructural
3. Bobinado automático (filament winding):
• Tubos de FRP, refuerzo de pilares
Fabricación de FRP
Durabilidad frente al medio
Ventaja fundamental de los FRPs
No sufre corrosión electroquímica
pero, existen problemas de durabilidad...
Daños potenciales por efectos derivados de:
Temperatura
Humedad
Radiación UV
Alcalinidad
Fuego
Temperatura
Durabilidad frente al medio
• Temperaturas elevadas causan deterioro de las propiedades mecánicas y adherencia
Debido fundamentalmente a la degradación de
la matriz
• Las temperaturas de servicio deben limitarse: 20˚C menos que la temperatura de transición vítrea (tG), tG ≈ 65 - 130˚C
• Las bajas temperaturas generalmente no son problema
Fuego
• Todos los polímeros reblandecen a elevadas temperaturas
• Potenciales preocupaciones durante el fuego:
Reducción de la resistencia
Reducción de la rigidez
Pérdida de adherencia
Propagación de la llama
Generación de humos tóxicos
• Importantes investigaciones en esta área...
Durabilidad frente al medio
Aplicaciones del FRP en Estructuras
Estructuras Todo-FRP
Hormigón armado con FRP
Estructuras mixtas hormigón-FRP
Reparación y refuerzo
Materiales inteligentes
Paneles arquitectonicos
Infinitas posibilidades...
Estructuras Todo-FRP
Aplicaciones
Puente de FRP
Ensayo de un panel de tablero de puente de FRP
Proyecto UE: ASSET 1998-2002
Estructuras Todo-FRP
Aplicaciones
West Mill (Oxfordshire, UK), 2002
Hormigón armado con FRP
Aplicaciones
Estructuras Mixtas Hormigón-FRP
Tubos de FRP
rellenos de hormigón
como pilas de puentes
Aplicaciones
Estructuras Mixtas Hormigón-FRP
Aplicaciones
10 m 13 m 13 m
10 m
Proyecto Plan nacional 2002-04
Avilés: 2004
Estructuras Mixtas Hormigón-FRP
Aplicaciones
Ensayo de puente mixto a escala 1:3 2010
Aplicaciones: Reparación y refuerzo
Aplicaciones
¿Porqué se refuerzan las estructuras?
Por criterios de sostenibilidad
o Alargar la vida útil de las estructuras
o Cambio de uso
Por criterios de adecuación al uso
o Insuficiente seguridad
o Aparición de defectos
o Aumento de las cargas previstas
o Condiciones de servicio inadecuadas
Aplicaciones: Reparación y refuerzo
Aplicaciones
Técnicas de refuerzo
Tradicionales
o Suplemento con perfiles
metálicos
o Recrecidos de hormigón
Nuevas técnicas: Refuerzo con FRP
o No aumenta el peso ni se
pierde gálibo
o Fácil y rápido de ejecutar
o No corrosible
Aplicaciones: Reparación y refuerzo
• La mayor parte del uso de FRP en España
• Refuerzo a flexión, cortadura de vigas y de pilares a compresión
• No aumenta las cargas permanentes ni varía las dimensiones
• Facilidad y rapidez de colocación: interrupciones mínimas
Aplicaciones
Aplicaciones: Reparación y refuerzo
Aplicaciones
Reparación y refuerzo Aplicaciones
Sistemas de refuerzo
Pegado de una banda prefabricada: Se pega al sustrato de hormigón mediante resina. Las bandas suelen ser de fibras unidireccionales. Colocación en húmedo (wet lay-up): Se impregna el sustrato con resina, se colocan capas de tejido Barras o láminas insertadas en el recubrimiento (NSM): Se hace una ranura en la superficie donde se inserta el elemento y se rellena con resina La inyección de resina al vacío. El tejido se coloca sobre el elemento cubierto herméticamente, el vacío fuerza a penetrar la resina. Muy preciso, para aplicaciones especiales
Criterios de diseño
• Evitar el colapso de la estructura en caso de eliminación del refuerzo
• Contemplar el estado previo de deformaciones de la estructura
• Estudio de la idoneidad del refuerzo seleccionado
• Comprobación de la seguridad de la estructura sin reforzar
• Verificación de la seguridad de la estructura reforzada
• Verificación de los estados Límites de Servicio
Refuerzo a flexión
• Sin definir bien los coeficientes a emplear (falta de normativas )
• Respuesta dúctil: que se produzca la rotura de la lámina durante la plastificación del acero y antes de la rotura por compresión del hormigón
• Hipótesis de cálculo como en hormigón armado:
o Equilibrio de fuerzas y momentos o Compatibilidad de deformaciones o Hipótesis Navier-Bernouilli
Formas de rotura
Resultados de ensayos
Viga F1 F2 F3
Carga de rotura (kN)
44 86,6 75
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 10 20 30 40 50 60
Deflection [mm]
To
tal
loa
d [
kN
]
F3
F2
F1
Refuerzo a cortante
• Sistema eficaz de refuerzo a cortante
• Superposición de las contribuciones:
Vu=Vc + Vs + Vf
• Válido modelo de bielas y tirantes
• El fallo se produce antes del agotamiento del
material de refuerzo
• Crítico el anclaje y adherencia
Ensayos
Series Fibre amount [g/m2]
Configuration Fibre orientation
[º]
Spacing [mm]
Number of beams
R 0 - - - 1
U90C5 530 U 90 0 2
U90S5 530 U 90 200 2
U45S5 530 U 45 200 1
W90S5 530 W 90 200 1
U90C3 300 U 90 0 2
U90S3 300 U 90 200 3
U45S3 300 U 45 200 2
W90S3 300 W 90 200 2
P
3 d
LL
Ls
P
3 d
Proyecto de Investigación: Ministerio de Fomento 2005-08
Resultados de ensayos
0
100
200
300
400
0 7 14 21 28 35 42
Displacement (mm)
She
ar (k
N) W90S3-a-L
U90S5-b-L
U90C5-b-L
U90C5-b-C
U90S5-b-C
U45S3-b-L
U45S3-b-C
U90C3-a-C
W90S3-a-C
W90S5-L
V4-W90-S530(C)
R-L
R-C
U90C3-a-L
W90S5-C
0
50
100
150
200
250
300
-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Micro-strain
Sh
ea
r (k
N)
0-7 FRP1-8 FRP2-9 FRP3-10 FRP4-11 FRP5-12 FRP6-13 FRP14-15-Stirrup
Refuerzo a compresión: confinamiento
Confinamiento: la coacción de la libre dilatación transversal del elemento comprimido crea un estado de tensiones triaxial, que aumenta la capacidad última a compresión.
lcocc fkff fcompresión.
kcompresión.
f 1co
lcocc f
fk2kcocc
fcc y cc: resistencia y deformación axial última del hormigón confinado
fco y co : resistencia y deformación axial última del hormigón sin confinar
fl : presión de confinamiento
k1 y k2 : coeficientes de efectividad del confinamiento
Modelos de comportamiento
Proyecto de Investigación: Ministerio de Fomento 2002-05
5 10 15 20eps_c eps_co
0.5
1
1.5
2
f_c f_co
7CPa7CPa7CPb7CPb
2CW2CW3CW
3CP3CP
2CM2CM
5CM5CM 4CP4CP
4CM4CM6CW6CW
6CP6CP
7CPa7CPa7CPb7CPb
3GW 2GW2GW
2GM2GM
6GW6GW
6GP6GP
5GW5GW5GP5GP 4GPa4GPa
4GPb
4GM4GM 7GP4GP
Resultados de ensayos
Formato de cálculo con FRP
Método de los Estados Límites (EL)
o Últimos : rotura a flexión positiva, negativa, cortante o Servicio: flechas, apariencia, vibraciones
Para cada EL: función de estado límite
R, E
E
R
f(e)de
Cálculo con coeficientes parciales
La resistencia de cálculo debe ser mayor que los efectos de las acciones de cálculo
Efecto de las acciones de cálculo:
Resistencia de cálculo
Valor de cálculo de una propiedad
Coeficiente parcial Valor característico Coeficiente de combinación Coeficiente de conversión
FkFd XdXk
F , X
F X
Cálculo en FRP
Según norma CNR-DT 205/2007
Coeficiente parcial del material
tiene en cuenta la incertidumbre en la determinación de las propiedades
coeficiente de paso del valor característico al de cálculo
según el ambiente
larga duración
0,3 carga casi permanente
0,5 fatiga
¡GRACIAS!
arteaga@ietcc.csic.es adediego@ietcc.csic.es
Recommended