Nuevos materiales en ingeniería civil. Los materiales compuestos.

Angel Arteaga y Ana de Diego Instituto de Ciencias de la Construcción E. Torroja-CSIC

INSTITUTO DE CIENCIAS DE LA CONSTRUCCIÓN E. TORROJAINSTITUTO DE CIENCIAS DE LA CONSTRUCCIÓN E. TORROJA

• Materiales compuestos. FRP

• Características

• Durabilidad

• Aplicaciones en estructuras.

Características

Materiales compuestos. FRP

Nuevos materiales en ingeniería civil. Los materiales compuestos.

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

MatrizMatriz polimpolimééricarica

FibrasFibras

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 Standard → 250-300 GPa

o Intermedio → 300-350 GPa

o Alto → 350-550 GPa

o 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

• Para aplicaciones concretas se empiezan a utilizar: acero, basalto, vegetales, etc.

Otras fibras

Criterio

Tipo de Fibra

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

Densidad Bueno Excelente Adecuado

Resistencia a los

álcalis

Muy bueno Bueno Adecuado

Precio Adecuado Adecuado Muy bueno

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

Ten

sión

(MP

a)

Deformación (%)

0 1 2 3 4 5

Vidrio-EVidrio-EAramidaAramidaCarbono estándarCarbono estándarCarbono alto-móduloCarbono alto-móduloCarbono ultra alto-móduloCarbono ultra alto-móduloAceroAcero

Propiedades de las fibras

Propiedad Carbono HM Carbono S Vidrio E Kevlar 49

Diámetro [µm]

Densidad [103 kg/m3]

Módulo elasticidad [GPa]

Resistencia a tracción [GPa]

Alargamiento de rotura [%]

7,0 – 9,7

1,95

390

2,2

0,5

7,6 – 8,6

1,75

250

2,7

1,0

8 – 14

2,56

76

1,4 – 2,5

1,8 – 3,2

11,9

1,45

125

2,8 – 3,6

2,2 – 2,8

.

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)

Fibra

εm,ult εf,ult

σm,ult σ’m

σf,ult Tensión, σ

Deformación, ε

Matriz

Materiales compuestos: FRP

fmfultfultfrp VV V1',, m'f ,frp

mfmfffmmfrp EVEEVEVEE EEEE

FRP frente a Acero

• Comportamiento lineal elástico hasta rotura

• Sin plastificación

• Mayor resistencia última

• Menor deformación a rotura

• Módulo de elasticiad comparable (CFRP-Acero)

Deformación [%]

1 2 3

500

1000

1500

2000

2500

Ten

sió

n [

MP

a]

Acero

CFRP

GFRP

Fabricación de FRP

1. Pultrusión:

• barras, perfiles, bandas para refuerzo

Inyección de resina

Fibras

Calor y curado Dispositivo de tiro Corte

Ventilación

Fabricación de FRP

2. Wet lay up

• Tejidos de fibra saturados en resina se colocan sobre un molde o un elemento estructural

3. Bobinado automático (filament winding):

• Tubos de FRP, refuerzo de pilares

Fabricación de FRP

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

Humedad

Radiación UV

Alcalinidad

Fuego

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

• 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...

Durabilidad frente al medio

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

Proyecto UE: ASSET 1998-2002

Estructuras Todo-FRP

Aplicaciones

West Mill (Oxfordshire, UK), 2002

Hormigón armado con FRP

Aplicaciones

Estructuras Mixtas Hormigón-FRP

Tubos de FRP

rellenos de hormigón

como pilas de puentes

Aplicaciones

Estructuras Mixtas Hormigón-FRP

Aplicaciones

10 m 13 m 13 m

10 m

Proyecto Plan nacional 2002-04

Avilés: 2004

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

Aplicaciones

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: Reparación y refuerzo

• 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

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

Viga F1 F2 F3

Carga de rotura (kN)

44 86,6 75

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60

Deflection [mm]

To

tal

loa

d [

kN

]

F3

F2

F1

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

Series Fibre amount [g/m2]

Configuration Fibre orientation

[º]

Spacing [mm]

Number of beams

R 0 - - - 1

U90C5 530 U 90 0 2

U90S5 530 U 90 200 2

U45S5 530 U 45 200 1

W90S5 530 W 90 200 1

U90C3 300 U 90 0 2

U90S3 300 U 90 200 3

U45S3 300 U 45 200 2

W90S3 300 W 90 200 2

P

3 d

LL

Ls

P

3 d

Proyecto de Investigación: Ministerio de Fomento 2005-08

Resultados de ensayos

0

100

200

300

400

0 7 14 21 28 35 42

Displacement (mm)

She

ar (k

N) W90S3-a-L

U90S5-b-L

U90C5-b-L

U90C5-b-C

U90S5-b-C

U45S3-b-L

U45S3-b-C

U90C3-a-C

W90S3-a-C

W90S5-L

V4-W90-S530(C)

R-L

R-C

U90C3-a-L

W90S5-C

0

50

100

150

200

250

300

-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Micro-strain

Sh

ea

r (k

N)

0-7 FRP1-8 FRP2-9 FRP3-10 FRP4-11 FRP5-12 FRP6-13 FRP14-15-Stirrup

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.

lcocc fkff fcompresión.

kcompresión.

f 1co

lcocc f

fk2kcocc

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

5 10 15 20eps_c eps_co

0.5

1

1.5

2

f_c f_co

7CPa7CPa7CPb7CPb

2CW2CW3CW

3CP3CP

2CM2CM

5CM5CM 4CP4CP

4CM4CM6CW6CW

6CP6CP

7CPa7CPa7CPb7CPb

3GW 2GW2GW

2GM2GM

6GW6GW

6GP6GP

5GW5GW5GP5GP 4GPa4GPa

4GPb

4GM4GM 7GP4GP

Resultados de ensayos

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

R, E

E

R

f(e)de

Cálculo con coeficientes parciales

La resistencia de cálculo debe ser mayor que los efectos de las acciones de cálculo

Efecto de las acciones de cálculo:

Resistencia de cálculo

Valor de cálculo de una propiedad

Coeficiente parcial Valor característico Coeficiente de combinación Coeficiente de conversión

FkFd XdXk

F , X

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!

arteaga@ietcc.csic.es adediego@ietcc.csic.es