Refuerzo y reparación con FRP de vigas de madera aserradas sometidas a flexión

Son numerosos los edificios en los cuales la madera es un material protagonista. Ha sido utilizada a lo largo del tiempo como elemento estructural, conformando los pilares y las vigas de muchas construcciones gracias a sus propiedades mecánicas. La necesidad de mantener y rehabilitar este patrimonio...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Gómez de la Peña, Enrique
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2017
País:España
Institución:Consejo General de la Arquitectura Técnica de España (CGATE)
Repositorio:RIARTE
OAI Identifier:oai:www.riarte.es:20.500.12251/1445
Acceso en línea:http://hdl.handle.net/20.500.12251/1445
http://oa.upm.es/46658/
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:Estructura de madera
Rehabilitación de edificios
Refuerzo estructuras
Material Compuesto de Raiz Polimérica (PMC)
Fibra de carbono
Fibra de basalto
Fibra de vidrio
Fibra de refuerzo
Resistencia de materiales
3312.13 Tecnología de la Madera
3305.32 Ingeniería de Estructuras
2211.02 Materiales Compuestos
3312.08 Propiedades de Los Materiales
3312.12 Ensayo de Materiales
3312.09 Resistencia de Materiales
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Universidad Politécnica de Madrid. Departamento de Tecnología de la edificación
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description Son numerosos los edificios en los cuales la madera es un material protagonista. Ha sido utilizada a lo largo del tiempo como elemento estructural, conformando los pilares y las vigas de muchas construcciones gracias a sus propiedades mecánicas. La necesidad de mantener y rehabilitar este patrimonio construido ha sido siempre una de las grandes tareas en el mundo de la arquitectura. Tradicionalmente, cuando las necesidades estructurales de un edificio cambiaban, o simplemente la estructura estaba deteriorada, la intervención mediante sistemas metálicos, o la adición o sustitución de unos elementos de madera por otros en mejor estado, eran las técnicas más comunes de intervención. Con la aparición en el mercado de nuevos materiales, la cantidad de posibilidades de acometer una intervención estructural se han ampliado. Los materiales compuestos han sido parte importante de este cambio de prácticas. Su utilización ha sido más habitual sobre elementos de hormigón, sobre los cuales hay una mayor bibliografía y legislación escritas. Sus propiedades mecánicas con una excelente relación resistencia-peso, su gran capacidad de adaptación, y su comportamiento elástico lineal a tracción, hacen de ellos una alternativa muy efectiva para su uso en estructuras de madera. En líneas generales, el fallo producido en vigas de madera se localiza en la cara traccionada, la cual se comporta de un modo elástico y lineal hasta que se produce el fallo final. En el caso de que la madera contenga defectos significativos, como pueden ser nudos en dicha cara, la resistencia de la viga puede bajar sustancialmente ya que supone un corte en las fibras que confieren la resistencia a tracción. El refuerzo mediante materiales compuestos en dicha cara de las vigas tiene gran interés ya que minimiza la posibilidad de una rotura prematura de la madera y puede suponer un aumento de la capacidad portante de la viga. Los materiales compuestos de polímeros reforzados con fibra (FRP) han sido ampliamente estudiados a través de programas experimentales en los cuales se han reforzado las vigas en su cara traccionada a través de diferentes configuraciones de tejidos, platabandas y barras. Es en el ámbito de las reparaciones y la comparación de los diferentes materiales que pueden ser utilizados a día de hoy, donde la bibliografía es más escasa. Este trabajo por lo tanto, trata de aumentar el estado del conocimiento en ese sentido a través de un estudio en el cual se reparan vigas de madera con FRP de fibra de carbono (CFRP) y se realiza una comparativa en la cual se estudian diferentes fibras y se analiza el efecto de su uso como refuerzo para vigas de madera a partir de sus propiedades mecánicas. Para realizar esta investigación, se ha dividido la fase experimental en dos programas diferenciados, adaptando los ensayos y los materiales a las condiciones de partida para la obtención de los resultados. Para el estudio de las reparaciones y los refuerzos con CFRP, se ensayaron vigas a flexión sin refuerzo para la caracterización mecánica del lote, posteriormente se repararon y se volvieron a ensayar. Para la comparación de los resultados, se realizaron los mismos ensayos en vigas reforzadas sin haber sido colapsadas previamente. La comparación de los diferentes sistemas de refuerzo de FRP se llevó a cabo realizando ensayos de flexión a vigas de madera con diferentes configuraciones de refuerzo utilizando todas las fibras disponibles: basalto, vidrio, carbono, carbono de alto módulo elástico y metálica. Los resultados del estudio demuestran el buen comportamiento de las fibras que disponen un módulo de elasticidad más bajo (basalto y vidrio) respecto de las que tienen un módulo más alto, y que con la suficiente cantidad de fibra, se puede devolver la resistencia a una viga colapsada previamente mediante una reparación.
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Tradicionalmente, cuando las necesidades estructurales de un edificio cambiaban, o simplemente la estructura estaba deteriorada, la intervención mediante sistemas metálicos, o la adición o sustitución de unos elementos de madera por otros en mejor estado, eran las técnicas más comunes de intervención. Con la aparición en el mercado de nuevos materiales, la cantidad de posibilidades de acometer una intervención estructural se han ampliado. Los materiales compuestos han sido parte importante de este cambio de prácticas. Su utilización ha sido más habitual sobre elementos de hormigón, sobre los cuales hay una mayor bibliografía y legislación escritas. Sus propiedades mecánicas con una excelente relación resistencia-peso, su gran capacidad de adaptación, y su comportamiento elástico lineal a tracción, hacen de ellos una alternativa muy efectiva para su uso en estructuras de madera. En líneas generales, el fallo producido en vigas de madera se localiza en la cara traccionada, la cual se comporta de un modo elástico y lineal hasta que se produce el fallo final. En el caso de que la madera contenga defectos significativos, como pueden ser nudos en dicha cara, la resistencia de la viga puede bajar sustancialmente ya que supone un corte en las fibras que confieren la resistencia a tracción. El refuerzo mediante materiales compuestos en dicha cara de las vigas tiene gran interés ya que minimiza la posibilidad de una rotura prematura de la madera y puede suponer un aumento de la capacidad portante de la viga. Los materiales compuestos de polímeros reforzados con fibra (FRP) han sido ampliamente estudiados a través de programas experimentales en los cuales se han reforzado las vigas en su cara traccionada a través de diferentes configuraciones de tejidos, platabandas y barras. Es en el ámbito de las reparaciones y la comparación de los diferentes materiales que pueden ser utilizados a día de hoy, donde la bibliografía es más escasa. Este trabajo por lo tanto, trata de aumentar el estado del conocimiento en ese sentido a través de un estudio en el cual se reparan vigas de madera con FRP de fibra de carbono (CFRP) y se realiza una comparativa en la cual se estudian diferentes fibras y se analiza el efecto de su uso como refuerzo para vigas de madera a partir de sus propiedades mecánicas. Para realizar esta investigación, se ha dividido la fase experimental en dos programas diferenciados, adaptando los ensayos y los materiales a las condiciones de partida para la obtención de los resultados. Para el estudio de las reparaciones y los refuerzos con CFRP, se ensayaron vigas a flexión sin refuerzo para la caracterización mecánica del lote, posteriormente se repararon y se volvieron a ensayar. Para la comparación de los resultados, se realizaron los mismos ensayos en vigas reforzadas sin haber sido colapsadas previamente. La comparación de los diferentes sistemas de refuerzo de FRP se llevó a cabo realizando ensayos de flexión a vigas de madera con diferentes configuraciones de refuerzo utilizando todas las fibras disponibles: basalto, vidrio, carbono, carbono de alto módulo elástico y metálica. Los resultados del estudio demuestran el buen comportamiento de las fibras que disponen un módulo de elasticidad más bajo (basalto y vidrio) respecto de las que tienen un módulo más alto, y que con la suficiente cantidad de fibra, se puede devolver la resistencia a una viga colapsada previamente mediante una reparación.There are numerous buildings where wood is a leading material. It has been used for a long time like a structural element, composing the columns and beams of many constructions due to its mechanical properties. The requierement to keep and rehabilitate this built heritage has always been one of the great tasks in the world of architecture. Traditionally, when the structural requirements of a building changes, or the structure was deteriorated, the intervention by metal systems, or the addition or substitution of wood elements by others in better condition, were the most common intervention techniques. With the appearance of new materials on the market, the number of possibilities for structural intervention has increased. Composite materials have been an important part of this intervention change. Its use has been more usual on concrete elements, where a greater bibliography and legislation can be found. Their mechanical properties with an excellent resistance to weight ratio, their great adaptability, and their elastic-linear tensile behavior, make them a very effective alternative for use in wooden structures. In general terms, the failure in wooden beams is produced in the tensile side, which behaves elastically and linearly until the final failure occurs. If the wood has many significant defects, such as knots in the face of the beam, the strength of the beam can be lowered substantially as it implies a cut in the fibers, which gives to the beam its bearing capacity. Reinforcement by composite materials on the face of the beams is very interesting, because it minimizes the possibility of premature breaking of the wood and may lead to an increase of the bearing capacity of the beam. The composite materials of fiber reinforced polymers (FRP) have been extensively studied through experimental programs where the beams have been reinforced through different configurations of fabrics, sheets and bars. It is on the area of repairs and the comparison of different materials that can be used, where the bibliography is limited. This work tries to increase the state of knowledge with a study where wood beams are repaired with FRP of carbon fiber (CFRP) and to make a comparison with different kinds of fibers, focused on the effect of its use as reinforcement material for wood beams. To carry out this research, the experimental phase has been divided into two different programs, adapting the tests and materials to obtain the results. For the research of repairs and reinforcements with CFRP, unreinforced beams were tested to bending up to fracture to the mechanical characterization of the wood used, and later repaired with CFRP and tested again. For the comparison of results, the same tests were performed on reinforced beams wich had not previously failed. The comparison of the different FRP reinforcement systems was carried out by bending tests to wood beams with different reinforcement configurations using all the available fibers: basalt, glass, carbon, carbon with high elastic modulus and metallic fiber. The results of the study demonstrate the good performance of the lower elastic modulus fibers (basalt and glass) in contrast to those with a higher elasticity modulus, and that with the enought amount of fiber, a repaired beam with FRP can recover its resistance.Universidad Politécnica de MadridCobo Escamilla, AlfonsoUniversidad Politécnica de Madrid. Departamento de Tecnología de la edificaciónUniversidad Politécnica de Madrid2017info:eu-repo/semantics/doctoralThesishttp://hdl.handle.net/20.500.12251/1445http://oa.upm.es/46658/reponame:RIARTEinstname:Consejo General de la Arquitectura Técnica de España (CGATE)Españolhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:www.riarte.es:20.500.12251/14452026-06-02T12:44:41Z
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