Influencia de las condiciones de ejecución en la resistencia de anclajes de fibra de carbono para refuerzos en estructuras de hormigón

Resumen

Los materiales compuestos con fibra en matriz polimérica (FRP) son
muy utilizados actualmente para actuaciones de refuerzo y rehabilitación de
estructuras de hormigón armado y de fábrica, tanto de obra civil como de
edificación. Entre las ventajas de estos materiales destacan su alta resistencia a
tracción, alta relación resistencia/peso y buenas propiedades durables. En
estructuras de hormigón se pueden emplear para refuerzo de elementos a
compresión por confinamiento, y de elementos a flexión y cortante tales como
vigas y losas.
Las técnicas de refuerzo con FRP se clasifican atendiendo a la disposición
del refuerzo, que puede ser exterior adherida a la superficie del elemento a
reforzar o bien parcialmente embebida en rozas lineales. La elección de la técnica
de refuerzo más apropiada a cada proyecto dependerá del estado de
conservación del material de soporte, de la accesibilidad para la reparación y de
la importancia de la integración visual de la actuación, entre otros factores. Los
refuerzos exteriores son más frecuentes por su mayor facilidad de instalación y
porque requieren una menor alteración del soporte. Además, pueden hacerse de
forma superficial mejorando la integridad del elemento reforzado.
La eficacia de los refuerzos de FRP, especialmente de los sistemas
aplicados exteriormente, está limitada por el fallo prematuro por despegue. Este
fallo de adherencia, relacionado con las tensiones en la interfaz, lleva a no
aprovechar la resistencia del material.
En las normas y guías de diseño que existen para refuerzos de hormigón
con FRP se considera la limitación debida al fallo por despegue. Dicha limitación
se expresa en términos de deformación máxima o de resistencia máxima de
adherencia calculada en función de la longitud adherida. La longitud adherida
juega un papel fundamental en la transferencia de tensiones en la interfaz
refuerzo-­soporte;; en la literatura hay consenso respecto a la existencia de una
longitud efectiva de transferencia de tensiones, más allá de la cual no se
incrementa la resistencia aunque se aumente la longitud adherida. El
desaprovechamiento del FRP derivado del despegue prematuro, y la
imposibilidad en ocasiones de disponer la longitud adherida necesaria para
conseguir la máxima adherencia, ha llevado al desarrollo de sistemas de anclaje.
En la última década se han desarrollado diversos sistemas de anclaje para FRP
para evitar, o retrasar, el despegue del refuerzo. Como en el caso de los propios
refuerzos, se distingue entre sistemas de anclaje externos y embebidos.
Los anclajes externos más comunes son los que funcionan mediante un
incremento de la superficie de adherencia, bien mediante la prolongación del
refuerzo hasta otro elemento con superior resistencia a tracción, o bien mediante
un sistema de parches bidireccionales. Los anclajes embebidos pueden tener un
funcionamiento de anclaje mecánico o aprovechar una técnica de refuerzo
parcialmente embebida para aumentar la superficie de adherencia. Los anclajes
de tipo mecánico se basaron inicialmente en el refuerzo con pletinas metálicas,
empleando pernos y placas;; estos sistemas tienen el inconveniente de una menor
durabilidad, al incluir elementos metálicos. Como alternativa a los anclajes
metálicos aparecieron anclajes realizados con las mismas fibras que el refuerzo,
a los que habitualmente se conoce como anclajes de FRP.
Los anclajes de FRP no presentan incompatibilidad con el soporte ni con el
refuerzo, y tienen buena durabilidad. Consisten en fibras unidireccionales
dispuestas en una sección cilíndrica;; el anclaje consta de un tramo que se
embebe en resina y se introduce en una perforación realizada previamente en el
soporte, y en un tramo libre que se expande en forma de abanico y se adhiere al
refuerzo, con la misma resina usada como adhesivo del mismo al soporte.
La eficacia de los anclajes de FRP ha sido demostrada en numerosas
campañas experimentales, logrando retrasar el despegue o incluso cambiando el
modo de fallo;; las guías existentes para diseño de refuerzos de FRP apuntan a
la mejora que puede conseguirse con estos sistemas de anclaje, pero hay un gran
desconocimiento de los parámetros implicados en su comportamiento que ha
limitado su uso hasta la fecha. Los estudios publicados sobre anclajes de FRP
son de tres tipos: resistencia a arrancamiento del anclaje, resistencia a corte de
refuerzos anclados a probetas de hormigón y resistencia de refuerzos anclados
en vigas y losas. Los ensayos a arrancamiento han permitido identificar algunas
variables que afectan a la resistencia y modo de fallo de los anclajes, pero
partiendo de una solicitación que rara vez se da en los anclajes de FRP en
condiciones reales;; los ensayos a corte de refuerzos anclados tratan de
reproducir la situación tensional más común para los anclajes, pero no permiten
aislar las variables del propio anclaje de las de su interacción con el refuerzo.
En el presente trabajo se presentan dos campañas experimentales. La
primera consistió en 64 ensayos a corte de cordones de fibra de carbono
embebidos en hormigón;; en la segunda se ensayaron a corte refuerzos adheridos
y anclados en probetas de hormigón. Estas dos fases se realizaron
consecutivamente, para poder emplear los resultados de los cordones aislados
en el diseño de los anclajes de la segunda fase.
El objetivo de la primera fase de ensayos fue aislar e interpretar los
parámetros que afectan al comportamiento de los anclajes, para poder proponer
un diseño optimizado de los anclajes de FRP. Se estudiaron variables
geométricas y de ejecución. Las variables geométricas consideradas fueron:
profundidad de introducción, diámetro de la perforación e inclinación de la
perforación respecto a la carga;; las variables de ejecución incluyeron la técnica
de fabricación e introducción del anclaje y la herramienta utilizada para el
tratamiento del filo de la perforación. Los resultados de esta primera fase
permitieron identificar las variables con mayor influencia en la resistencia de los
anclajes de FRP: la profundidad, el tratamiento del filo de la perforación y el
ángulo de la perforación.
Las dos últimas variables están íntimamente relacionadas ya que ambas
afectan a la concentración de tensiones en el tramo de doblado del anclaje. Del
análisis de las variables de la primera fase experimental se decidió que una
configuración bastante optimizada para un anclaje de 10 mm de diámetro
consiste en una perforación a 135º, con un diámetro de 20 mm y una profundidad
de 100 mm . Todos los anclajes de la segunda campaña se realizaron conforme
a estos parámetros de diseño.
La segunda fase de la investigación se centró en dos aspectos: la posición
relativa del anclaje respecto al refuerzo y la incorporación de anclajes múltiples.
Se ensayaron tres disposiciones del tramo libre del anclaje: bajo el refuerzo, con
las fibras embebidas en rozas radiales de poca profundidad, entre dos capas de
refuerzo y sobre el refuerzo. Esta campaña reveló que la posición relativa de
anclaje y refuerzo afecta a la resistencia máxima y al modo de fallo del refuerzo.
Los mejores resultados se obtuvieron para anclajes embebidos entre dos capas
de refuerzo. Tanto los anclajes sobre el refuerzo como entre capas de refuerzo
consiguieron evitar el despegue del refuerzo, mientras que los anclajes por
debajo del refuerzo incrementaron la carga máxima respecto a los refuerzos
adheridos, pero no cambiaron el modo de fallo. La configuración de los anclajes
múltiples se hizo a partir de los resultados anteriores, de modo que todos los
anclajes múltiples se instalaron entre dos capas de refuerzo. No se apreció
ninguna mejora en términos de resistencia entre los anclajes únicos y múltiples,
pero se observó una mayor rigidez en las probetas con anclajes múltiples, fruto
de la mayor sección de fibras, que pudo provocar el fallo prematuro en el tramo
más débil del refuerzo.
Los resultados obtenidos se compararon con la base existente de anclajes
de FRP a tracción pura y de refuerzos anclados a corte. Se ha elaborado un
modelo analítico para el diseño de refuerzos con este tipo de anclajes. Se
pretende que el modelo propuesto sirva de base para futuras investigaciones,
precisándose una calibración del mismo con resultados experimentales de las
variables menos documentadas hasta la fecha. Fibre reinforced polymers (FRP) are widely used nowadays to upgrade and
retrofit concrete and masonry structures, both of buildings and civil works. Among
the advantages of these materials, the most remarkable are their high tensile
strength, high strength-­to-­weight ratio and their durable properties. In existing
concrete members, FRP reinforcements are mainly employed to increase the
load-­bearing capacity of compressed elements and the bending and shear
capacity of beams and slabs.
The reinforcing techniques with FRP can be classified according to the
reinforcement’s position;; this leads to two different categories: externally bonded
(EB) and near surface mounted (NSM) reinforcements. Each technique should be
chosen depending on the supports quality and current state, the ease of
application to the original member and heritage conservation aspects, among
other factors. Externally bonded reinforcements are more frequent as a
consequence of their relatively easy application and because they hardly alter the
support;; additionally, they can cover larger surfaces enhancing the integrity of the
reinforced structure.
The efficiency of FRP reinforcements, and specially the one of externally
bonded reinforcements, is limited by the premature delamination from the
substrate. This failure mode, which is related to the interface stresses, hinders the
optimal utilization of the composite materials’ strength.
Existing codes and guidelines provide equations to estimate or directly to
prevent debonding, by means of limitation of the maximum strain or by calculating
the maximum bond strength, which is a function of the bonded length. The bonded
length has been identified as a key factor in transferring the stresses in the FRP-­
to-­support interface;; this has led to the definition of the effective bond length, the
bonded length beyond which the stress transfer cannot be increased for a given
substrate and reinforcement.
The underuse of the FRP due to premature debonding, and the fact that in
many cases the available bond length is lower than the effective one, has resulted
in the development of anchorage systems. These systems were originated with
the aim of delaying or preventing debonding. As in the case of reinforcements,
anchorage technologies are usually divided into external and embedded.
External anchorage techniques generally imply an increase in the adherent
surface, with bidirectional patches or extending the bonded length up to a stronger
adjacent member. Embedded techniques can work as mechanical anchors or as
a hybrid EB-­NSM system. Mechanical anchors were initially made of steel;; these
systems can compromise the durability of the reinforced system. Anchors made
of the same fibres as the reinforcements, commonly referred to as FRP spike
anchors, emerged as an alternative to metal anchors.
Spike anchors are characterised by their compatibility with both supports
and reinforcements, and their durability. The anchors consist of unidirectional
fibres from sheets of bundles, in the form of cylinders;; they have a dowel region
which is embedded in a hole in the support, and a free end where fibres are
opened in a fan and which is adhered to the reinforcement. The efficiency of spike
FRP anchors to delay debonding or even to change the failure mode of the
anchored joints has been proved in a number of experimental works, and existing
guidelines for structural retrofitting with FRP regard them as a promising way of
enhancing the performance of externally bonded applications.
However, there is a huge lack of knowledge concerning the parameters that
affect the spike anchor’s performance and, as a result, their widespread use is
hindered to date. Literature on spike anchors can be classified, attending to the
test methods and elements, as: pull-­out strength of anchors, shear strength of
anchored joints and bending or shear strength of beams and slabs with anchored
reinforcements.
Pull-­out tests on isolated anchors let researchers identify some of the
parameters affecting their strength and failure mode. Nevertheless, the test
method does not represent the most common stress pattern of spike anchors.
Single and double shear tests on anchored joints aim to reproduce a more usual
stress pattern, and arguably the worst one as it is marked by the reduction of
strength due to bending;; the problem with this kind of test is that it does not allow
isolating the parameters of the anchors from those of the interaction between the
anchor and the reinforcement.
In this thesis two experimental campaigns are presented. The first one
involved 64 single-­shear tests on isolated carbon fibre ropes embedded in
concrete. In the second one, single-­shear tests were conducted on FRP anchored
joints. The two campaigns were carried out sequentially, with the aim of using the
results and conclusions from the tests on isolated anchors to optimise the design
of the anchored reinforcements.
The main goal of the first experimental campaigned was to isolate and
analyse the parameters controlling the anchor’s performance;; in order to do so,
geometrical and installation parameters were studied. The geometrical
parameters included embedded length, hole diameter and dowel angle, defined
as the angle with which the anchor is inserted in the concrete in relation to the
main stress;; installation parameters comprised manufacturing and introduction
technique as well as different tools to smooth the hole edge to reduce stress
concentration in the bending region.
The results from the tests on isolated anchors allowed determining which
parameters influenced the most the anchor’s performance;; three parameters were
identified: the embedment length, the smoothing of the hole edge and the dowel
angle. The last two of them are closely related as both of them affect the stress
concentration due to bending. From the analysis of the three abovementioned
parameters, it was established that an enough optimised design for a spike anchor
of a 10 mm diameter could comprise: a 135º dowel angle, with a diameter of 20
mm and an embedment length of 100 mm. All the anchored joints of the second
campaign were designed according to these considerations.
The second phase of the investigation was focused on two aspects: the
position of the anchor fan with respect to the reinforcement, and the installation of
multiple anchors. Three different position of the anchor fan were compared: under
the reinforcement, with the fibres embedded in radial grooves into the concrete;;
between two plies of the reinforcement;; and bonded onto the plate. The results
revealed that the relative position of the anchor fan and the reinforcement has
influence on the maximum load and on the failure mode of anchored joints. Best
results were obtained for anchor fans inserted between two plies of reinforcement.
Both fan anchors bonded onto the plate and inserted between plies were able to
prevent debonding, whereas the anchor fan embedded in grooves increased the
debonding load but could not change the failure mode.
The configuration of multiple anchors was made according to the previous
results, with the anchor fans between plies of the reinforcement. No enhancement
in terms of strength was observed in comparison to the tests with one anchor. It
was concluded that the the increased stiffness of the plates with multiple anchors
could provoke the premature failure in tension in the weakest region of the
reinforcement, hindering the optimum use of the anchors.
The results of the two experimental campaigns were compared to the
available data from literature. A database was constructed and employed to
optimise a design model for spike anchors and anchor joints. The author’s wish is
that the proposed model may be used as a starting point for future research.