Refuerzos de fibra de carbono para rehabilitación de vigas de madera. Modelos analíticos, ensayos experimentales y puesta en obra

Resumen

La madera es uno de los materiales de construcción más respetuosos con el medio ambiente y la lucha contra el cambio climático. Tiene una buena resistencia a compresión y a tracción en relación con su limitada densidad. En muchas ocasiones resulta necesario reforzar o reparar elementos estructurales de madera por medio de materiales de alta resistencia. Tradicionalmente las vigas de madera se han reforzado o reparado mediante la inserción de elementos metálicos, lo cual presenta importantes inconvenientes. Wood is one of the most respectful building materials for the environment and the fight against climate change. It has good compressive and tensile strength in relation to its limited density. In many cases, it is necessary to strengthen or repair wooden structural elements using high-strength materials. Traditionally, wooden beams have been reinforced or repaired by the insertion of metal elements, which has major drawbacks. Por estas razones, hace algunas décadas se propuso el uso de polímeros reforzados con fibras (FRP) como una alternativa al acero para el refuerzo de elementos de madera. En los últimos años el auge en el uso de los materiales compuestos en construcción está incrementando su popularidad. Sin embargo, actualmente la aplicación de estos refuerzos presenta algunos puntos oscuros, como es el desconocimiento en el comportamiento mecánico de la estructura y el material reforzado, sus mecanismos de fallo (en particular la deslaminación madera-FRP), la falta de normativas, de soluciones constructivas y guías de aplicación. For these reasons, the use of fiber-reinforced polymers (FRP) was proposed a few decades ago as an alternative to steel in the reinforcement of wood elements. In recent years the use of composite materials in construction has soared in popularity. However, at present, the application of these reinforcements presents some dark points, such as the lack of knowledge in the mechanical behavior of the structure and reinforced material, their failure mechanisms (in particular the delamination of wood-FRP), the lack of standards and constructive solutions and application guidelines. En este contexto, esta Tesis Doctoral evalúa experimentalmente diferentes configuraciones de refuerzo con fibra de carbono (CFRP) sobre vigas de pino de más de 200 años en servicio, extraídas de la cubierta de la Facultad de Derecho de la Universidad de Granada en 2015 por la empresa Dávila Restauración de Monumentos S.L. Para ello, y como primer paso, se han realizado ensayos de adherencia madera-CFRP, con el fin de elegir las resinas y procedimientos de aplicación del refuerzo más apropiados. En estos ensayos se propone además el uso del método de emisión acústica (EA) para caracterizar dicha adherencia. In this context, this Doctoral Thesis evaluates experimentally different configurations of carbon fiber reinforcement (CFRP) on pine beams of more than 200 years in service, extracted from the cover of the Faculty of Law of the University of Granada in 2015 by the firm Dávila Restauración de Monumentos S.L. To this end, and as a first step, wood-CFRP adherence tests have been carried out in order to choose the most appropriate resins and reinforcement application procedures. These tests also propose the use of the acoustic emission method (AE) to characterize this bond. Además, en una fase posterior, se realizan numerosos ensayos a flexión sobre vigas de pequeña y gran escuadría, comparando diferentes configuraciones de refuerzo mediante laminados pultruídos y/o tejidos de CFRP. Se obtiene y compara el comportamiento mecánico para cada configuración [1]. En particular, la Tesis propone una nueva configuración de refuerzo consistente en un trenzado discontinuo mediante tejido, la cual proporciona una excelente mejora en la capacidad de carga y ductilidad del elemento, clave desde el punto de vista la seguridad estructural [2]. Subsequently, in a later phase, numerous bending tests are performed on small and large size beams, comparing different reinforcement layouts using pultruded laminates and/or CFRP fabrics. The mechanical behavior for each configuration is obtained and compared [1,2]. In particular, the Thesis proposes a new reinforcement layout that consists in a discontinuous braiding with fabric, which provides an excellent improvement in the flexural load capacity and ductility of the element, a key element from the point of view of structural safety [3]. Por otro lado, se propone la valoración del comportamiento mecánico de dos configuraciones de refuerzo para la reparación de vigas de gran escuadría con una rotura previa que anula su capacidad portante, aplicando además el método de EA. Se comprueba que la solución trenzada propuesta en esta Tesis permite recuperar completamente dicha capacidad portante del elemento reparado. Subsequently, it is proposed to evaluate the mechanical performance of two reinforcement layouts to repair largely sized beams with a previous fracture that nullifies their structural capacity, also applying the EA method [4]. It is verified that the braided solution proposed in this Thesis allows the full recovery of this capacity in the repaired element. Finalmente, se realiza una transferencia directa del conocimiento de la investigación llevada a cabo en el laboratorio, mediante la realización de un demostrador en una actuación “in situ” sobre una cubierta de madera en un edificio histórico de la ciudad de Granada. As a final step, the knowledge of the research carried out in the laboratory is directly transferred by means of a demonstrator in an on-site intervention on a wooden cover in a historic building in the city of Granada. La investigación llevada a cabo en esta Tesis ha permitido establecer procedimientos y guías de aplicación, así como de cálculo del refuerzo, proponiendo un modelo analítico alternativo al empleado actualmente, y haciendo valoraciones de costes y tiempos de ejecución. The Thesis has established application procedures and guidelines, as well as a methodology for the reinforcement calculation, proposing an alternative analytical model to the one currently used, and evaluating costs and performance times. Artículos publicados con resultados de esta Tesis Doctoral Published papers with results from this Thesis [1] Rescalvo, F.J.; Valverde-Palacios, I.; Suarez, E.; Gallego, A. Experimental comparison of different carbon fiber composites in reinforcement layouts for wooden beams of historical buildings. Materials 2017, 10, 1113. [2] Rescalvo, F.J.; Valverde-Palacios, I.; Suarez, E.; Gallego, A. Experimental and analytical analysis for bending load capacity of old timber beams with defects when reinforced with carbon fiber strips. Compos. Struct. 2018, 186, 29-38. [3] Rescalvo, F.J.; Valverde-Palacios, I.; Suarez, E.; Gallego, A. Monitoring of carbon fiber-reinforced old timber beams via strain and multiresonant acoustic emission sensors. Sensors 2018, 18, 1224. [4] Rescalvo, F.J.; Suarez, E.; Abarkane, C.; Cruz-Valdivieso, A.; Gallego, A. Experimental validation of a cfrp laminated/fabric hybrid layout for retrofitting and repairing timber beams. Mech Adv Mater Struct 2018, 1-8. Bibliografía / Bibliography - Plevris N., Trintafillou T. C., “FRP Reinforced wood as structural material”, Journal of Material in Civil Engineering, vol. 4 (3), pp. 300-315, 1992. - Triantafillou T., Deskivic N., “Prestressed FRP sheets as external reinforcement of wood members”, Journal of Structural Engineering, vol. 118 (5), pp. 1270-1284, 1992. - Triantafillou T., “Shear reinforcement of wood using FRP materials”, ASCE Material Civil Engineering, vol. 9 (2), pp. 65-69, 1997.- Luggin W., Bergmeister K., “Carbon fiber reinforced and prestressed timber beams”, 2nd Int. PhD Symposium in Civil Engineering, Budapest, pp. 1-7, 1998. - Radford D. W., Van Goethem D., Gutkowski R. M., Peterson M. L., “Composite repair of timber structures”, Construction and Building Materials, vol. 16, pp. 417-425, 2002. - Fiorelli J., Alves A., “Analysis of the strength and stiffness of timber beams reinforced with carbon fiber and glass fiber”, Material research, vol. 6-2, pp. 193-202, 2003. - Gilfillan J. R., Gilbert S. G., Patrick G. R. H., “The Use of FRP Composites in Enhancing the Structural Behavior of Timber Beams”, Journal of Reinforced Plastics and Composites, vol. 22 (15), pp. 1373-1388, 2003. - Borri A., Corradi M., Grazini A. “A method for flexural reinforcement of old wood beams with CFRP materials”, Composites: Part B, vol. 36, pp. 143-153, 2005. - Johnsson H., Blanksvär T., Carolin A., “Glulam members strengthened by carbon fibre reinforcement”, Materiales and Structures, vol. 40, pp. 47-56, 2006. - Valluzzi M. R., Garbin E., Modena C., “Flexural strengthening of timber beams by traditional and innovative techniques”, Journal of Building Appraisal, vol. 3 (2), pp. 125-143, 2007. - Nowak T. P., Jankowski L. J., Jasieńko J., “Application of photoelastic coating technique in tests of solid wooden beams reinforced with CFRP strips”, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 10 (2), pp. 54-66, 2010. - Valipour H. R., Crews K., “Efficient finite element modelling of timber beams strengthened with bonded fibre reinforced polymers”, Construction and Building Materials, vol. 25, pp. 3291-3300, 2011. - De la Rosa García P., Cobo Escamilla A., González García M. N., “Bending reinforcement of timber beams with composite carbon fiber and basalt fiber materials”, Composites: Part B, vol. 55, pp. 528-536, 2013. - Nowak T. P., Jasieńko J., Czepiżak D., “Experimental tests and numerical analysis of historic bent timber elements reinforced with CFRP strips”, Construction and Building Materials, vol. 40, pp. 197-206, 2013. - Solarov R., Glišić M., “Glulam beams reinforced with FRP strips and their application in architecture”, Spatium International Review, vol. 32, pp. 1-6, 2014. - Yang H., Ju H., Liu W., Lu W., “Prestressed glulam beams reinforced with CFRP bars”, Construction and Building Materials, vol. 109, pp. 73-83, 2016. - Grosse, C.U.; Ohtsu, M. Acoustic emission testing. Springer Science & Business Media: 2008. - Ono, K. Application of acoustic emission for structure diagnosis. Diagnostyka 2011, 2, 3-18. - Gallego, A.; Gil, J.F.; Vico, J.M.; Ruzzante, J.E.; Piotrkowski, R. Coating adherence in galvanized steel assessed by acoustic emission wavelet analysis. Scr. Mater. 2005, 52, 1069-1074.