Refuerzo a cortante de estructuras de hormigón armado con laminados de polímeros reforzados con fibras (FRP) : verificación experimental.
Authors:   , Pujol Sánchez Mireia 
Published: July 2023

The use of externally bonded fibre reinforced polymers, FRP, for strengthening reinforced concrete (RC) beams or columns is an alternative to other traditional strengthening techniques due to its high strength-to-weight ratio, stiffness-to-weight ratio, and improved durability in comparison to steel. The use of FRP for shear strengthening is not as widespread as flexural strengthening or column confinement. One of the main reasons is that the shear resisting mechanisms of FRP strengthened elements are more complex. In addition, there is still no universally accepted model to evaluate the contribution of the FRP to the shear strength of the reinforced element, because this contribution is strongly related to the stress level of the external reinforcement, which is linear elastic up to failure and does not yield as conventional steel.
The total shear strength of an structural element is given by several components: concrete, longitudinal and transverse steel reinforcement and external FRP reinforcement. The contribution of each part is difficult to evaluate, since there is an interaction between them. This coupling effect is not taken into account in the major part of the current models, which are additive without considering the possible modification of the shear component resisted by the concrete, Vc, and by the steel, Vs, due to the existence of the FRP, VFRP.
The present thesis aims to identify and quantify the contribution of each component that contributes to resist the shear force of RC elements externally strengthened in shear by FRP, as well as the interaction between them. For this purpose, 20 shear tests of RC beams with a T-section, externally strengthened by FRP sheets have been performed. The influence on the shear strength of different FRP reinforcement ratios in a U-shaped configuration and the influence of two longitudinal steel reinforcement ratios have been analysed. The thickness of the FRP laminate has been kept constant, as well as the spacing between the sheets which is the same as the stirrups spacing. The different FRP reinforcement ratios correspond to different widths of the sheets applied to the beams (discontinuous of 50 or 100 mm wide, or continuous).
In the control beams, upon a certain load level, a critical shear crack appears in the web with a certain inclination. Failure occurred when this critical shear crack propagated through the flanges with less inclination up to the load application point. In the tests with U-shaped FRP sheets, a premature debonding of the reinforcement was observed once the critical shear crack opened. Failure occurred in a similar manner when the critical shear crack propagated through the beam flanges to the load application point. In some tests, especially those with a greater longitudinal reinforcement ratio, the ultimate load was similar to that of the control beam. In order to avoid premature debonding of the reinforcement, two types of anchorage were designed and applied in some of the tests. The anchors held the transverse FRP sheets once the critical shear crack opened and propagated, delaying debonding. Failure occurred in a similar manner but for a higher ultimate load in compariston to the unanchored beams.
In order to quantify the different contributions of concrete, transverse steel and FRP reinforcement to the shear strength, the beams were instrumented with strain gauges and displacement transducers. The analysis of the information provided by the instrumentation has allowed to estimate the contribution to the shear strength of the concrete web, concrete flanges, the longitudinal and transverse steel reinforcement and the FRP sheets.
El refuerzo de vigas o pilares de hormigón armado mediante polímeros reforzados con fibras (FRP, de las siglas en inglés) constituye una alternativa a otras técnicas de refuerzo tradicionales, por su elevada relación resistencia-peso, rigidez-peso, así como por su mejor durabilidad en relación al acero. En refuerzos a cortante, esta técnica no se encuentra tan extendida como en refuerzos a flexión o confinamiento de pilares, entre otras razones porque los mecanismos resistentes son en sí mismos más complejos, y porque todavía no existe un modelo universalmente aceptado para evaluar la contribución del FRP a la resistencia a cortante del elemento reforzado, puesto que ésta depende del nivel de tensión o deformación en el refuerzo, que no plastifica a diferencia del acero. La resistencia a esfuerzo cortante procede de las aportaciones del hormigón, de la armadura longitudinal y transversal de acero y del refuerzo externo de FRP. La contribución de cada una de las partes es difícil de evaluar puesto que existe una interacción entre ellas. Este efecto de acoplamiento no se tiene en cuenta en gran parte de los modelos actuales, que son aditivos sin considerar la posible modificación de las componentes de cortante resistido por el hormigón Vc y por la armadura Vs debido al refuerzo de FRP, VFRP. La presente tesis doctoral pretende identificar y cuantificar la contribución de cada una de las componentes que contribuyen a resistir el esfuerzo cortante de elementos reforzados externamente a cortante con FRP. Para ello se ha realizado una serie de 20 ensayos a cortante de vigas de hormigón armado de sección en T, bajo carga puntual creciente hasta rotura. Se ha estudiado la influencia de diferentes cuantías de refuerzo a cortante con FRP en forma de U y de dos cuantías de armadura longitudinal de acero. El espesor del laminado FRP se ha mantenido constante, así como la separación longitudinal entre refuerzos externos que coincide con la separación de los cercos. Las diferentes cuantías estudiadas corresponden con distintos anchos de laminado (discontinuos de 50 o 100 mm de ancho, o continuos). En las vigas de control, bajo un cierto estado de carga se produjo la formación de una fisura crítica de cortante con una cierta inclinación en el alma. La rotura se produjo cuando esta fisura se propagó a través del ala con una menor inclinación. En los ensayos con refuerzo FRP en forma de U, se observó el desprendimiento prematuro del refuerzo cuando se abrió la fisura crítica de cortante en el alma. Una vez se fueron desprendiendo los laminados atravesados por la fisura crítica, la rotura se produjo cuando la fisura se propagó a través del ala de la viga hasta el punto de aplicación de la carga. En algunos ensayos, especialmente los que disponían de una mayor cuantía de refuerzo transversal la carga última obtenida fue similar a la de la viga de control. Para evitar el desprendimiento prematuro del refuerzo, se diseñaron dos tipos de anclaje que se aplicaron en algunos de los ensayos realizados para la presente tesis. Los anclajes sostuvieron al refuerzo transversal al abrirse la fisura crítica de cortante, y retardaron la rotura, que se produjo de forma similar pero para una carga última superior a la de las vigas sin anclaje. A fin de cuantificar las distintas contribuciones del hormigón, del acero transversal y del refuerzo FRP, las vigas se instrumentaron con galgas extensométricas y con transductores de desplazamiento. El análisis de la información proporcionada por la instrumentación ha permitido estimar la contribución a la resistencia a cortante del alma de hormigón, del ala de la sección transversal, de la armadura longitudinal, de la armadura transversal y del FRP.