Evaluation of near surface mounting (NSM) carbon fiber reinforced polymer (CFRP) technique used in a concrete bridge slab.
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2011
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Abstract
El uso de pletinas de polímeros reforzados con fibras de carbono (CFRP) utilizando la técnica de colocación en la superficie del material, o near surface mounting (NSM) por sus siglas en inglés, constituye un desafío; ya que ciertos aspectos de su desempeño aún son desconocidos por la ciencia. Es una técnica nueva y prometedora, de gran aplicabilidad y se utiliza actualmente tanto como refuerzo, como para la reparación y retroadaptación de estructuras existentes. La técnica NSM ofrece diversas ventajas sobre la colocación tradicional de tela CFRP en forma externa; puesto que provee una mayor protección y mejora la adherencia entre los materiales.
Actualmente se conoce el desempeño del refuerzo en laboratorio frente a cargas monotónicas, cíclicas y de creep, utilizado en elementos de hormigón; pero se desconoce su comportamiento en terreno en estructuras reales. El estudio de la adherencia entre materiales que logra esta técnica es de suma importancia; puesto que determina la capacidad última, serviciabilidad y transferencia de esfuerzos entre el hormigón y el refuerzo CFRP. La técnica NSM incluye el uso de epóxico como material de unión entre el hormigón y las pletinas; el cual es un material con propiedades mecánicas menores que éstos últimos. Muchas veces la falla del sistema está determinada por la adherencia que se logre entre los componentes. En la última década se ha estudiado ampliamente la adherencia entre el hormigón y elementos de FRP colocados externamente; pero no existen investigaciones suficientes acerca del comportamiento de pletinas CFRP colocadas NSM; especialmente desde el punto de vista de la influencia de los materiales que componen el sistema.
Esta investigación se divide en dos partes según su enfoque: la primera parte tiene un enfoque global a nivel de sistema estructural CFRP NSM en terreno, y la segunda parte, desarrollada en laboratorio, tiene un enfoque específico a nivel de materiales utilizados en el sistema NSM (CFRP, epóxico, hormigón). Para evaluar el desempeño de las fibras de carbono en condiciones de servicio en terreno, se estudió el Puente Centenario, cuya losa en voladizo fue reforzada utilizando la técnica mencionada. Se midieron las deformaciones en pletinas CFRP en el tiempo, en un período de 2 años, en 4 pletinas CFRP ubicadas en la sección central del puente utilizando transductores de resistencia eléctrica (electrical resistance strain gauges, ERSG); mientras que las deformaciones del hormigón ubicado entre ellas se midió utilizando cuerdas vibrantes (vibrating wire strain gauges, VWSG). Además las deformaciones en las pletinas CFRP y hormigón fueron medidas durante dos pruebas de carga con un camión de 245 kN, ubicado en la pista en voladizo.
Los resultados en terreno se complementaron con ensayos de laboratorio enfocados en el comportamiento último del refuerzo. Los ensayos de laboratorio se realizaron en 4 vigas de hormigón armado (dos vigas de control y dos reforzadas con pletinas CFRP) frente a carga monotónica. Adicionalmente, para estudiar la influencia de la temperatura en el desempeño de la técnica en términos de adherencia. Dos vigas reforzadas con CFRP se ensayaron frente a carga monotónica y sometidas a temperaturas cercanas al punto de transición vítrea (Tg) del epóxico. Para estudiar la adherencia del sistema se realizaron ensayos pull-out en cubos de hormigón reforzados con pletinas CFRP NSM, embebidas en distintas longitudes, y se midieron las deformaciones de las pletinas y su deslizamiento. Además se realizaron ensayos Dynamical-mechanical analysis (DMA) al epóxico para estudiar su compotamiento frente a cargas cíclicas (DMA - Modulus test) y de creep (DMA - Creep) a altas temperaturas.
Durante el período de monitoreo de la losa de hormigón en terreno, las deformaciones en el hormigón aumentaron aproximadamente en 40 ; lo cual demuestra que la losa en voladizo está sufirendo creep debido a las cargas muertas superimpuestas durante el refuerzo. El refuerzo CFRP NSM en vigas de hormigón incrementó su carga última entre 13 y 26% sobre las muestras de control, y la carga de fluencia se incrementó en un 12%. El modo de falla observado en laboratorio fue rotura de la pletina; lo cual indica que la transferencia de esfuerzos entre la pletina y el hormigón que la rodea es adecuada; puesto que es posible desarrollar la capacidad última del CFRP.
Sin embargo, el modo de falla observado en vigas reforzadas con CFRP cambió cuando la temperatura se acercó al Tg del epóxico; para dichas vigas se produjo falla por adherencia por corte en la interfaz epoxico-hormigón, y no se observó ruptura de la pletina. Temperaturas cercanas a Tg generaron una diminución de la rigidez elstica de las vigas de un 17%y en la resistencia del hormigón. Además frente a temperaturas cercanas a Tg se produjo un incremento de la carga de fluencia de un 24% y las deformaciones de fluencia de un 50%, respecto de las viguetas de control sin refuerzo a temperatura ambiente. En los ensayos de adherencia, o pull-out, la falla ocurrió a una carga similar a la reportada por el fabricante, para longitudes embebidas mayores a 75 mm. Sin embargo, para menores longitudes sólo se desarrolló un 60% de la capacidad última de las pletinas. El modo de falla observado para todas las muestras fue rotura de la pletina a diferentes alturas medidas desde la superficie del hormigón. Además se observó "falla como escoba" ("bromlike failure") en algunas probetas, lo cual es señal de falla en la matriz que une las fibras dentro del sistema CFRP.
El deslizamiento medido en la superficie del hormigón, descontando deformaciones elásticas de la pletina fue insignificante; por lo cual fallas por adherencia fueron descartadas. Aunque se observó falla en la interfaz epóxico - hormigón, en el extremo libre de algunas muestras, se concluyó que la adherencia que provee el epóxico es suficiente para desarrollar la capacidad última de las pletinas. La temperatura de transición vítrea promedio medida fue 49 C durante el desarrollo de la primera serie de DMA; sin embargo, el ciclo de calentamiento al cuál fueron sometidas las muestras durante el ensayo brindó curado adicional; generando un incremento de Tg entre 2° y 6°.
Cuando las muestras fueron ensayadas bajo carga sostenida (DMA-creep) alcanzaron su deformación máxima a temperaturas cercanas a 35° C. Además presentaron deformaciones mayores a las reportadas por el fabricante. En resumen, la técnica de refuerzo NSM utilizando pletinas CFRP permite incrementar la capacidad estructural de elementos de hormigón reforzados. La adherencia que provee este refuerzo es adecuada para temperaturas de servicio, pero bajo temperaturas cercanas a Tg, las propiedades mecánicas del epóxico disminuyen y la transmisión efectiva de esfuerzos entre CFRP y hormigón no se garantiza.
Description
Tesis (Master of Science in Engineering)--Pontificia Universidad Católica de Chile, 2011