Estudio del comportamiento mecánico de vigas de hormigón armado reforzadas a flexión y a cortante con materiales compuestos de matriz cementítica
Authors:   , Escrig Pérez Christian 
Published: October 2023

The global tendency to apply sustainability criteria in most of productive fields, as well as, the limited durability and the pathologies that suffer the reinforced concrete elements, are aspects that directly affect the increasing necessity of strengthening this type of structures.
Reinforced concrete beams are frequently subjected to bending and shear efforts. The evolution of strengthening techniques, that permit to increase the load bearing capacity in front this type of efforts, has consisted in the development of new technologies that maximise the velocity and ease the execution of the solution, minimising the time structures are out of service. In this way, the introduction of composite materials in construction has revolutionised the structural strengthening field.
The textile-reinforced mortar (TRM) is a composite material that combines textiles, made of high strength tensile fibres, with cementitious matrix. The main characteristic of this material is that, unlike the techniques as fibre-reinforced polymer (FRP), it does not require the use of organic resins for its fabrication and application on structures.
The present thesis has consisted in the analysis of the mechanical and structural behaviour of reinforced concrete beams strengthened against flexural and shear efforts using different types of TRM. To fulfil this aim, two main experimental campaigns have been carried out. In the first one, eleven full-scale beams, ten of them previously flexural strengthened with five different types of TRM, have been tested. In the second experimental campaign, nine reinforced concrete beams, eight of them shear strengthened with four different combinations of textiles and mortars, have been subjected to experimental tests.
Before these main experimental campaigns, the mechanical behaviour of all materials used in the research has been characterised (that is concrete, steel, mortars, textiles and TRM). Moreover, an experimental approach, based on the flexural strengthening and testing of twelve precast beams, has been done. This campaign has allowed familiarising with the application of the reinforcement and obtaining results, from which, most appropriate combinations of textiles and mortars to use in main experimental campaigns have been chosen.
Using the experimental data, two analytical studies, focused on the design of reinforced concrete beams flexural and shear strengthened with TRM, respectively, have been carried out. In both studies, initially, it has evaluated the prediction capacity of three analytical models included in design standards of FRP and TRM. For two of them, the formulation of the codes proposed by fib-Bulletin 14 and ACI 440.2R-08 has been adapted to the particular case of cementitious matrix reinforcements. The formulation according to ACI 549.4R-13 has been directly applied in the third. In the second part of the studies analytical models based on the reduction of mechanical capacities of the fibers have been carried out. These employed the experimental results obtained in the present research and the gathered from similar investigations.
The results show that, in the case of TRM applied as a flexural reinforcement, the strengthening system is able to increase of 27.4% the beams capacity before the flexural yielding and 8.2% the ultimate bending capacity. This increase reaches 33.7% in the case of the shear strengthened reinforced concrete beams. On the other hand, the results of analytical studies indicate that models adapted from FRP standards present a better prediction capacity than the obtained with the code specifically developed for TRM reinforcements, which has performed significantly conservative. Finally, the proposed analytical models, based on the adjustment of the textile fibers properties, show a new conception for the design of TRM strengthening on reinforced concrete beams.
La tendencia global en aplicar criterios de sostenibilidad en la mayoría de ámbitos productivos, así como la limitada durabilidad y las patologías que sufren los elementos de hormigón armado, son aspectos que influyen directamente en la creciente necesidad de reforzar este tipo de estructuras. Las vigas de hormigón armado son elementos frecuentemente sometidos a esfuerzos de flexión y cortante. La evolución de las técnicas de refuerzo que permiten incrementar la capacidad resistente frente estas solicitaciones, ha consistido en el desarrollo de nuevas tecnologías que maximizan la velocidad/facilidad de ejecución de la solución y minimizan el tiempo que la estructura está fuera de servicio. En este sentido, la introducción de materiales compuestos en la construcción ha revolucionado el sector de los refuerzos estructurales. El textile-reinforced mortar (TRM) es un material compuesto que combina tejidos, hechos de fibras de resistencia a tracción elevada, y matrices de base cementítica. La principal característica de este material es que, a diferencia de técnicas como el fibre-reinforced polymer (FRP), no requiere de la utilización de resinas orgánicas para su fabricación y aplicación en las estructuras. La presente tesis ha consistido en el análisis del comportamiento mecánico y estructural de vigas de HA reforzadas a flexión y a cortante con diferentes tipos de TRM. Para lograr este objetivo, se han realizado dos campañas experimentales principales. En la primera de ellas, se han ensayado once vigas a escala real, diez de ellas reforzadas previamente a flexión con cinco tipos diferentes de TRM. En la segunda campaña, se han sometido a ensayo nueve vigas de HA, ocho de ellas reforzadas a cortante con cuatro combinaciones diferentes de tejidos y morteros. Antes de estas campañas principales, se ha caracterizado el comportamiento mecánico de todos los materiales utilizados, es decir, el hormigón, el acero, los morteros, los tejidos y el material compuesto TRM. Además, se ha realizado una campaña experimental de aproximación, basada en el refuerzo a flexión y ensayo de doce viguetas prefabricadas, que ha permitido la familiarización con la técnica de aplicación del refuerzo y la obtención de resultados, a partir de los cuales, se ha elegido las mejores combinaciones de tejidos y morteros a utilizar en las campañas experimentales principales. Utilizando los datos experimentales, se han realizado dos estudios analíticos enfocados al diseño de vigas de HA reforzadas a flexión y a cortante con TRM, respectivamente. En ambos estudios, inicialmente se ha evaluado la capacidad de predicción de tres modelos analíticos incluidos en normativas de FRP y TRM, adaptando la formulación de los códigos propuesta por fib-Bulletin 14 y ACI 440.2R-08 al caso particular de los refuerzos de matriz cementítica, y aplicando directamente la formulación propuesta por ACI 549.4R-13. En la segunda parte de los estudios, empleando los resultados experimentales obtenidos en el presente trabajo y los recopilados de investigaciones similares, se han desarrollado modelos analíticos basados en la reducción de las capacidades mecánicas de las fibras que componen los tejidos. Los resultados muestran que, en el caso del TRM aplicado como refuerzo a flexión, los especímenes logran incrementar en un 27,4% su capacidad previa a la plastificación, y en un 8,2% su capacidad última a flexión. Este incremento de prestaciones alcanza el 33,7% en el caso de las vigas de HA reforzadas a cortante. Por otro lado, los resultados del estudio analítico muestran que los modelos adaptados de las normativas de FRP presentan una mejor capacidad de predicción que el modelo desarrollado para el TRM, que se revela significativamente conservador. Por último, los modelos analíticos propuestos, basados en el ajuste de las propiedades de las fibras de los tejidos, muestran un nuevo enfoque para el diseño de refuerzos TRM en vigas de HA.
La tendència global a aplicar criteris de sostenibilitat en la majoria d’àmbits productius, així com la limitada durabilitat i les patologies que pateixen els elements de formigó armat, són aspectes que influeixen directament en la creixent necessitat de reforçar aquest tipus d’estructures. Les bigues de formigó armat són elements freqüentment sotmesos a esforços de flexió i tallant. L’evolució de les tècniques de reforç que permeten incrementar la capacitat resistent en front aquestes sol·licitacions, ha consistit en el desenvolupament de noves tecnologies que maximitzessin la
velocitat/facilitat d’execució de la solució i minimitzessin el temps que l’estructura està fora de servei. En aquest sentit, la introducció de materials compostos en la construcció ha revolucionat el sector dels reforços estructurals.
El textile-reinforced mortar (TRM) és un material compost que combina teixits, fets de fibres de resistència a tracció elevada, i matrius de base cementítica. La principal característica d’aquest material es que, a diferència de tècniques com el fibre-reinforced polymer (FRP), no requereix de la utilització de resines orgàniques per a la seva fabricació y aplicació a les estructures.
La present tesi ha consistit en l’anàlisi del comportament mecànic i estructural de bigues de formigó armat reforçades a flexió i a tallant amb diferents tipus de TRM. Per a aconseguir aquest objectiu, s’han realitzat dues campanyes experimentals principals. En la primera d’elles, s’han assajat onze bigues a escala real, deu d’elles reforçades prèviament a flexió amb cinc tipus diferents de TRM. En la segona campanya, s’han sotmès a assajos nou bigues de formigó armat, vuit d’elles reforçades a tallant amb quatre combinacions diferents de teixits i morters.
Abans d’aquestes campanyes principals, s’ha caracteritzat el comportament mecànic de tots els materials utilitzats, és a dir, el formigó, l’acer, els morters, els teixits i el material compost TRM. A més, s’ha realitzat una campanya experimental d’aproximació, basada en el reforç a flexió i assaig de dotze biguetes prefabricades, que ha permès la familiarització amb la tècnica de reforç i l’obtenció de resultats, a partir dels quals, s’han escollit les millors combinacions de teixits i morters a utilitzar en les campanyes experimentals principals.
Utilitzant les dades experimentals, s’han realitzat dos estudis analítics enfocats al disseny de bigues de formigó armat reforçades a flexió i a tallant, respectivament. En ambdós estudis, inicialment s’ha avaluat la capacitat de predicció de tres models analítics inclosos en normatives de FRP i TRM, adaptant la formulació dels codis proposada per fib-Bulletin 14 i ACI 440.2R-08 al cas particular dels reforços de matriu cementítica, i aplicant directament la formulació proposada per ACI 549.4R-13. En la segona part dels estudis, emprant els resultats experimentals obtinguts en el present treball i els recopilats d’investigacions similars, s’han desenvolupat models analítics basats en la reducció de les capacitats mecàniques de les fibres que composen els teixits.
Els resultats mostren que, en el cas del TRM aplicat com a reforç a flexió, els espècimens aconsegueixen incrementar en un 27,4% la seva capacitat prèvia a la plastificació, y en un 8,2% la seva capacitat última a flexió. Aquest increment de prestacions arriba fins el 33,7% en el cas de les bigues de formigó armat reforçades a tallant. Per altra banda, els resultats de l’estudi analític mostren que els models adaptats de les normatives de FRP presenten una millor capacitat de predicció que el model desenvolupat per al TRM, que es revela significativament conservador. Per últim, els models analítics proposats, basats en l’ajust de les propietats de les fibres dels teixits, mostren un nou enfoc per al disseny de reforços TRM en bigues de formigó armat