Nuevos materiales

INSTITUTO DE CIENCIAS DE LA
CONSTRUCCIÓN E. TORROJA
Nuevos materiales en ingeniería civil.
Los materiales compuestos.
Angel Arteaga y Ana de Diego
Instituto de Ciencias de la Construcción E. Torroja-CSIC
Nuevos materiales en ingeniería civil.
Los materiales compuestos.
• Materiales compuestos. FRP
• Características
• Durabilidad
• Aplicaciones en estructuras.
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
Fibras
Matriz polimérica
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
o
o
o
Standard → 250-300 GPa
Intermedio → 300-350 GPa
Alto → 350-550 GPa
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
Otras fibras
• Para aplicaciones concretas se empiezan a utilizar: acero,
basalto, vegetales, etc.
Tipo de Fibra
Criterio
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
Bueno
Excelente
Adecuado
Resistencia a los
álcalis
Muy bueno
Bueno
Adecuado
Precio
Adecuado
Adecuado
Muy bueno
Densidad
Propiedades de las fibras
Tensión (MPa)
6000
Vidrio-E
Aramida
Carbono estándar
Carbono alto-módulo
Carbono ultra alto-módulo
Acero
5000
4000
3000
2000
1000
0
0
1
2
3
4
5
Deformación (%)
Propiedad
Carbono HM
Carbono S
Vidrio E
Kevlar 49
7,0 – 9,7
7,6 – 8,6
8 – 14
11,9
Densidad [103 kg/m3]
1,95
1,75
2,56
1,45
Módulo elasticidad [GPa]
390
250
76
125
Resistencia a tracción [GPa]
2,2
2,7
1,4 – 2,5
2,8 – 3,6
Alargamiento de rotura [%]
0,5
1,0
1,8 – 3,2
2,2 – 2,8
Diámetro [µm]
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)
Materiales compuestos: FRP
Tensión, σ
σf,ult
Fibra
σm,ult
σ’m
Matriz
εf,ult
E frp
E mVm
frp ,ult
E f Vf
f ,ult
Vf
εm,ult
Ef
Deformación,
E m Vf
'm 1 Vf
ε
Em
FRP frente a Acero
2500
• Sin plastificación
2000
• Mayor resistencia
última
• Menor deformación
a rotura
Tensión [MPa]
• Comportamiento
lineal elástico hasta
rotura
• Módulo de elasticiad
comparable (CFRPAcero)
1500
CFRP
GFRP
1000
Acero
500
1
2
Deformación [%]
3
Fabricación de FRP
1. Pultrusión:
•
barras, perfiles, bandas para refuerzo
Inyección de resina
Calor y curado
Fibras
Ventilación
Dispositivo de tiro
Corte
Fabricación de FRP
2. Wet lay up
•
Tejidos de fibra saturados en resina se colocan sobre un
molde o un elemento estructural
Fabricación de FRP
3. Bobinado automático (filament winding):
•
Tubos de FRP, refuerzo de pilares
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
Alcalinidad
Humedad
Fuego
Radiación UV
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
Durabilidad frente al medio
• 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...
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
Estructuras Todo-FRP
Aplicaciones
West Mill (Oxfordshire, UK), 2002
Proyecto UE:
ASSET 1998-2002
Hormigón armado con FRP
Aplicaciones
Estructuras Mixtas Hormigón-FRP
Aplicaciones
Tubos
rellenos
de
de
FRP
hormigón
como pilas de puentes
Estructuras Mixtas Hormigón-FRP
Aplicaciones
10 m
13 m
13 m
Avilés: 2004
Proyecto Plan nacional 2002-04
10 m
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
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
Aplicaciones: Reparación y refuerzo
Aplicaciones
• 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: 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
90
80
Total load [kN]
70
60
F3
F2
F1
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
Deflection [mm]
Viga
Carga
(kN)
de
rotura
F1
F2
F3
44
86,6
75
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
3d
P
3d
P
Ls
LL
Series
R
U90C5
U90S5
U45S5
W90S5
U90C3
U90S3
U45S3
W90S3
Fibre
amount
[g/m2]
0
530
530
530
530
300
300
300
300
Configuration
U
U
U
W
U
U
U
W
Fibre
orientation
[º]
90
90
45
90
90
90
45
90
Spacing
[mm]
Number of
beams
0
200
200
200
0
200
200
200
1
2
2
1
1
2
3
2
2
Proyecto de Investigación: Ministerio de Fomento 2005-08
Resultados de ensayos
Shear (kN)
400
300
W90S3-a-L
U90S5-b-L
U90C5-b-L
U90C5-b-C
U90S5-b-C
U45S3-b-L
U45S3-b-C
U90C3-a-C
200
W90S3-a-C
W90S5-L
V4-W90-S530(C)
100
R-L
R-C
U90C3-a-L
Displacement (mm)
0
300
250
Shear (kN)
0
0-7 FRP
1-8 FRP
2-9 FRP
3-10 FRP
4-11 FRP
200
5-12 FRP
6-13 FRP
14-15-Stirrup
150
100
50
Micro-strain
0
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
7
14
21
28
35
42
W90S5-C
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.
fl
k
f cc f co k1 fl
cc
co
2
f co
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
Resultados de ensayos
f_c f_co
2
2GM7CPa
7CPb
5CM 3CP
4CP
3CW
6GP
2CM
5GP
4GPa
6CW
2GW
3GW 5GW4CM
7GP 4GM
6GW
4GPb
P
CM
1.5
M
6CP
2CW
6CP
1
0.5
eps_c eps_co
5
10
15
20
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
E
R
f(e)
de
R, E
Cálculo con coeficientes parciales
La resistencia de cálculo debe ser mayor que los efectos de
las acciones de cálculo
Coeficiente parcial
Valor característico
Efecto de las acciones de cálculo:
Coeficiente de combinación
Coeficiente de conversión
Resistencia de cálculo
Valor de cálculo de
una propiedad
F
X
FkFd Xd Xk
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!
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