Estudio del comportamiento mecánico de vigas de hormigón armado reforzadas a flexión y a ...

416 Pages·2015·11.95 MB·English

Tesis Doctoral 
Estudio del comportamiento mecánico de vigas de hormigón armado reforzadas 
a flexión y a cortante con materiales compuestos de matriz cementítica 

Autor: 
Christian Escrig Pérez 

Director: 
Lluís Gil Espert 

Tesis presentada para obtener el título de Doctor por la Universitat Politècnica de Catalunya 
Programa de doctorado de Análisis Estructural, Departament de Resistència de Materials i 
Estructures a l’Enginyeria 
Escola Tècnica Superior d'Enginyeria Industrial i Aeronàutica de Terrassa. Universitat Politècnica 
de Catalunya, BarcelonaTECH 

Terrassa, Abril del 2015
Juno, això és per a tu…
Agradecimientos
Inicialmente, querría expresar mi más sincero agradecimiento a Lluís Gil Espert, director de la presente
Tesis Doctoral. Sin tu positivismo y tus valiosos consejos, este trabajo no hubiese podido ser realidad.
Me gustaría mostrar mi agradecimiento a las empresas Mapei S.p.A. y Ruredil S.p.A. por haber
facilitado desinteresadamente parte del material necesario para realizar esta investigación.
Este trabajo ha sido realizado gracias al apoyo de mis compañeros del departamento de Resistencia de
Materiales y Estructuras en la Ingeniería y del grupo de investigación LITEM: Francesc, Marco, Jordi,
Cata, Roger, Sònia y Vicenç, moltes gràcies nois. Me gustaría agradecer especialmente a Ernest Bernat
Masó el haberme ayudado a crecer como investigador. “Ernest, ens en sortirem, segur!”.
Por último, gracias a mis padres, por estar a mi lado y proporcionarme la educación que he deseado, y a
toda mi familia y amigos, por el ánimo que me habéis proporcionado durante todo este camino.
Y no quisiera acabar los agradecimientos sin mencionarte a ti, Cristina. Por leer este trabajo hasta la
última coma, por sugerirme mejoras, por apoyarme en los momentos difíciles y por, sencillamente, estar
siempre ahí, muchas gracias. T’estimo.

Christian Escrig Pérez
Barcelona, Abril del 2015
i
ii
Resumen
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.
iii
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.

Palabras clave: Mortero reforzado con tejidos; Refuerzo; Ensayos experimentales; Estudio analítico;
Ductilidad; Rigidez; Fisuración; Tenacidad a flexión; Adherencia.

iv
Abstract
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.
v
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.

Keywords: Textile-reinforced mortar; Reinforcement; Experimental tests; Analytical study; Ductility;
Stiffness; Cracking; Flexural tenacity; Bonding.
vi
Resum
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.
vii
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.

Paraules clau: Morter reforçat amb teixits; Reforç; Assajos experimentals; Estudi analític; Ductilitat;
Rigidesa; Fissuració; Tenacitat a flexió; Adherència.

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