Analizando las deformaciones registradas a lo largo de las bandas para distintitos niveles de carga, se observa que el comportamiento de la junta FRP-fábrica sigue pautas
similares a las documentadas en otros trabajos de investigación sobre FRP- hormigón. Como ocurre en hormigón, la transferencia de carga es bastante uniforme al
inicio del proceso, con lecturas de las deformaciones que decrecen de forma progresiva hacia el extremo libre de la lámina. Al aumentar la carga, la superficie del soporte comienza a deteriorarse en la zona más próxima a la aplicación de la fuerza y la zona de transferencia activa se va desplazando hacia el extremo libre del refuerzo.
Este proceso se observa con claridad en la probeta R2 (sin daño superficial) que se ensayó con dos ciclos de carga, el primero hasta una carga entorno al 75% de su carga última y el segundo hasta rotura.
En la figura IV.16 se representan las lecturas a lo largo del refuerzo para distintas cargas en cada uno de los ciclos. Al principio del proceso de carga del primer ciclo, las deformaciones registradas decrecen de forma progresiva. Sin embargo, para una carga de tracción de la lámina entorno a 15 KN (aproximadamente, el 50% de la carga última) la gráfica comienza a tomar una forma bilineal, con una primera línea ascendente seguida de otra descendente, parecida a la descrita por otros autores para refuerzos adheridos a soporte de hormigón. Esto significa que el sustrato habría comenzado a dañarse en la zona más próxima a la aplicación de la fuerza. De hecho este deterioro de la zona inicial de la unión es definitivo porque, tras descargar la probeta e iniciar el segundo ciclo de carga, las deformaciones del refuerzo siguen la tendencia bilineal aún para cargas pequeñas.
Si se comparan las deformaciones registradas en el refuerzo de la probeta R2 (sin daño) y la probeta F2 (con la misma disposición del aparejo pero sometida a un proceso de deterioro superficial) se observa un comportamiento de la junta similar en términos cualitativos (inicio con la deformación decreciendo de forma progresiva para pasar a registros bilineales a partir de un nivel de carga). Sin embargo en términos cuantitativos, la tendencia bilineal se inicia en la fábrica superficialmente dañada, probeta F2, cuando la tracción es menor (entorno a 11 KN).
18%
11%
14%
8%
APAREJO "A" APAREJO "B"
PROBETAS SIN DAÑO PROBETAS CON DAÑO
R1 F1 R2 F2 31,2 13,2 24,5 18,6 0 5 10 15 20 25 30 35
APAREJO "A" APAREJO "B"
TR ACC IÓN ÚLT IMA BAN DA (K N)
PROBETAS SIN DAÑO PROBETAS CON DAÑO
R1 (100%) F1 (71%) R2 (100%) F2 (79%)
De igual forma si se comparan las probetas con aparejo tipo A, probeta R1 (sin daño) y F1 (con daño superficial), se observa que la tendencia bilineal en la distribución de las deformaciones se inicia para una tracción más pequeña en la probeta sometida al proceso de deterioro (entorno a 8 KN) que en la probeta sin daño (entorno a 11 KN).
El proceso de deterioro superficial supone una merma notable en la capacidad resistente de la banda adherida a la fábrica. Como se ha comentado, los resultados
obtenidos deben compararse entre probetas con la misma disposición de aparejo. La carga última de tracción de las probetas dañadas es entre un 21 y un 29 % menor que el de probetas sin dañar (figura IV.17). De igual forma, la tensión máxima resistida por las bandas ensayadas, que es sólo una pequeña fracción de la tensión última facilitada por el fabricante, es más baja para probetas dañadas superficialmente (figura IV.18).
Figura IV.17. Comparativa carga última de tracción de la banda
6,79 4,5 5,98 7,26 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0
APAREJO "A" APAREJO "B"
T E N S IÓ N T A NG EN CI A L M Á XI M A ( M Pa)
PROBETAS SIN DAÑO PROBETAS CON DAÑO
R1 (100%) F1 (62%) R2 (100%) F2 (88%) 3,12 1,32 2,45 1,86 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5
APAREJO "A" APAREJO "B"
T E N S IÓN TA NG ENC IAL ME DIA (MPa )
PROBETAS SIN DAÑO PROBETAS CON DAÑO
R1 (100%) F1 (71%) R2 (100%) F2 (79%)
Las tensiones tangenciales resistidas por la junta son también inferiores en las
probetas sometidas al proceso de deterioro superficial. En la figura IV.19 se
comparan las tensiones tangenciales medias calculadas como el cociente de la tracción última de la banda entre la superficie adherida a la fábrica.
Se comparan también las tensiones tangenciales máximas (τu max) soportadas en la junta
(figura IV.20). Para estimar la tensión tangencial entre dos puntos (τij), separados una
distancia ∆lij, se utiliza la ecuación IV.1.
τij = Ef tf (εi - εj) / ∆lij (ec. IV.1)
Los valores de las deformaciones εi y εj son los indicados en la tabla IV.4 Los resultados
de estos cálculos a lo largo de la unión para cada probeta y para distintos niveles de carga, se recogen en la tabla IV.5.
Figura IV.19. Comparativa tensión tangencial media
PROBETA R1 ∆lij 20 20 30 30 40 % Pu Pu (KN) τ6-7 τ7-8 τ8-9 τ9-10 τ10-11 τmax 0,2 Pu 3,7 0,63 -0,75 0,61 0,19 0,14 0,63 0,4 Pu 7,4 0,43 0,50 1,04 0,42 0,34 1,04 0,6 Pu 11,2 -0,04 2,14 1,50 0,66 0,61 2,14 0,8 Pu 14,8 -1,05 4,27 1,89 0,93 0,79 4,27 0,98 Pu 18,2 -3,37 7,26 2,54 0,85 0,19 7,26 PROBETA R2 ∆lij 20 20 30 30 40 % Pu Pu (KN) τ6-7 τ7-8 τ8-9 τ9-10 τ10-11 τmax 0,2 Pu 6,2 1,17 0,92 0,56 0,57 0,25 1,17 0,4 Pu 12,5 2,74 0,73 1,39 1,19 0,56 2,74 0,6 Pu 18,7 3,72 -3,29 4,36 2,28 1,04 4,36 0,8 Pu 25,0 5,10 -6,57 4,93 1,63 1,64 5,10 Pu 31,2 6,79 -8,44 6,07 1,80 2,23 6,79 PROBETA F1 ∆lij 20 20 30 30 40 % Pu Pu (KN) τ6-7 τ7-8 τ8-9 τ9-10 τ10-11 τmax 0,2 Pu 2,6 0,76 0,11 0,33 0,20 0,33 0,76 0,4 Pu 5,3 1,72 0,13 0,61 0,35 0,58 1,72 0,6 Pu 7,9 2,59 -0,25 0,73 0,67 0,96 2,59 0,8 Pu 10,6 2,65 -0,37 1,75 -0,55 2,08 2,65 Pu 13,2 2,69 -0,85 3,01 -3,63 4,50 4,50 PROBETA F2 ∆lij 20 20 30 30 40 % Pu Pu (KN) τ6-7 τ7-8 τ8-9 τ9-10 τ10-11 τmax 0,2 Pu 4,9 0,29 1,26 0,70 0,36 0,11 1,26 0,4 Pu 9,8 0,09 2,05 2,01 0,94 0,30 2,05 0,6 Pu 14,7 -4,10 5,98 2,37 2,14 0,93 5,98 0,8 Pu 19,6 -4,30 2,91 5,96 -0,54 2,96 5,96 Pu 24,5 -4,46 3,86 2,13 1,54 3,27 3,86
Tabla IV.5. Estimación de la tensión tangencial máxima para cada probeta
En cuanto al modo de fallo de las probetas ensayadas, se observa con demasiada
frecuencia que parte de la banda se despega de forma limpia. Esto podría
interpretarse como un fallo del adhesivo a pesar de haber sido encoladas por especialistas en su aplicación. Pero también podría deberse a que los prismas sufren durante la rotura fuertes sacudidas (muchos de ellos se abren). Con estos movimientos se somete al adhesivo a esfuerzos transversales lo que resulta bastante más desfavorable que cuando se trata sólo de esfuerzos longitudinales. Especialmente en el caso de las bandas preconformadas de fibra de carbono, con una rigidez y un espesor notable, donde la adherencia está más comprometida que cuando se utilizan tejidos flexibles y de escaso espesor adheridos en una superficie considerable del sustrato.
PREDICCIÓN CARGA ÚLTIMA 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5
Maeda (1997) Chen & Teng (2001) Neubauer & Rostasy (1997) CNR-DT (2004)
P u e x p e ri m e n ta l / P u te ó ric o
R2-probeta sin daño F2-probeta con daño
En la bibliografía sobre el tema, la lámina de refuerzo arranca siempre gran parte de la superficie del sustrato cuando se utilizan piezas más pequeñas completamente inmovilizadas en el aparato de carga, generalmente en ensayos tipo “single lap shear
test”. En futuras pruebas el soporte sobre el que se adhiere el refuerzo debería quedar inmovilizado.
Es más, observando que parte de las bandas preconformadas de carbono se despegan limpiamente cabe preguntarse si la carga de rotura alcanzada puede considerarse baja debido a un fallo prematuro del adhesivo, o si está dentro de lo que cabría esperar dado el material de refuerzo empleado, las características del soporte y la longitud adherida. Para aclararlo, se calcula la carga teórica de rotura de las probetas R2 y F2 (configuración de aparejo tipo “B”) utilizando cuatro modelos recogidos en el punto III.3.2. Se considera que en las probetas con la configuración de aparejo tipo “A” la rotura está muy condicionada por la resistencia a tracción del prisma de fábrica y no tiene sentido calcular la carga última con modelos desarrollados para fallos de adherencia.
En la figura IV.21 se representa el cociente de la carga última experimental entre la carga última teórica para cada uno de los modelos. Para los cuatro modelos considerados, el cociente es superior a la unidad, es decir, la carga experimental es superior que la predicción del modelo. Incluso para la probeta con daño superficial. De acuerdo con esto puede considerarse que la adherencia de las bandas ensayadas al sustrato de fábrica, aún cuando pueda haber sufrido un cierto deterioro, está dentro de lo que teóricamente cabe esperar.
IV.1.8. Conclusiones
Se lleva a cabo una pequeña campaña experimental con ensayos simplificados tipo “double lap shear test” para estudiar la adherencia de bandas preconformadas de fibra de carbono adheridas a prismas de fábrica de ladrillo macizo. La mitad de las probetas de fábrica se someten a un proceso de daño superficial a través de ciclos de hielo-deshielo y frío-calor. Todas las probetas cuentan con el mismo tipo de refuerzo, tipo de fábrica y de longitud adherida al soporte. La disposición de los ladrillos en el prisma de fábrica se convierte en una variable, no contemplada originalmente, que influye en el modo de fallo. Por ello los resultados obtenidos deben compararse entre probetas con una misma disposición de aparejo.
Tras el análisis de los ensayos realizados se concluye:
- Respecto al comportamiento de la junta material compuesto-fábrica, se observa que sigue pautas similares a las documentadas en otros trabajos de investigación sobre la adherencia de refuerzos de FRP a soportes de hormigón. Como ocurre en hormigón, la transferencia de carga en los ensayos realizados es bastante uniforme al inicio del proceso, con lecturas de las deformaciones que decrecen de forma progresiva hacia el extremo libre de la lámina. Al aumentar la carga, la superficie del soporte comienza a deteriorarse en la parte más próxima a la aplicación de la fuerza. Esto provoca que la zona donde tiene lugar la transferencia activa de esfuerzos se vaya desplazando hacia el extremo libre del refuerzo. Es entonces cuando la gráfica que representa la deformación de la banda a lo largo de la longitud adherida toma una forma “bilineal” (con una primera línea ascendente seguida de otra descendente).
En la única probeta sometida a dos ciclos de carga se observa que los daños experimentados en la zona inicial de la junta son irreversibles porque, tras descargar la probeta e iniciar el segundo ciclo de carga, las deformaciones del refuerzo ya no vuelven a decrecer de forma progresiva.
En las probetas sometidas al proceso de daño, el fenómeno de desplazamiento de la zona de transferencia activa de esfuerzos se produce para una fuerza de tracción aplicada menor que en probetas sin daño y la misma disposición de aparejo.
El hecho de que el comportamiento experimental de juntas FRP-fábrica se asemeje al descrito para soportes de hormigón garantiza que modelos de adherencia desarrollados inicialmente para hormigón puedan ser adaptados para su aplicación a soportes de fábrica.
- Respecto a cómo afecta el deterioro superficial del soporte a la junta, se observa una merma notable en la capacidad resistente sólo con someter a la fábrica a un proceso de deterioro de pocos ciclos de hielo-deshielo y frío-calor.
En los ensayos realizados se registran bajadas del 21 y 29% en la carga última de tracción respecto a probetas con superficie no dañada y el mismo tipo de aparejo. En términos de tensión tangencial máxima que se estima soporta la junta en la rotura, la bajada sería del 12 y 38 %. En cualquier caso, resulta evidente que el deterioro superficial afecta de forma apreciable a la carga máxima que es capaz de resistir la junta.
- Respecto a la capacidad resistente de la junta material compuesto-fábrica, la carga última obtenida en los ensayos donde la disposición de aparejo del prisma de fábrica fue la correcta, es mayor que la predicción teórica hecha con cuatro de las formulaciones más comunes, incluso cuando la probeta ha sufrido un daño superficial. De acuerdo con esto podría considerarse que la adherencia de las bandas ensayadas al soporte de fábrica, aún habiendo sufrido un cierto deterioro, ha estado dentro de lo que teóricamente cabría esperar.
No obstante, el proceso de deterioro al que se somete a la fábrica y que provoca daños superficiales evidentes (aparecen fisuras, desconchones, etc.) no es ni muy largo ni muy severo. Para fábricas a la intemperie o muy degradadas, a la vista de la repercusión que tiene en la capacidad resistente del refuerzo adherido, parece razonable ir a sistemas de anclaje mecánico.
- Respecto al tipo de rotura predominan los fallos por pérdida de adherencia combinados con la rotura a tracción de la probeta de fábrica. En ocasiones al despegarse la banda arranca una fina capa del soporte en una zona muy localizada, pero con frecuencia el resto del refuerzo se despega limpiamente. En ello ha influido, entre otras factores, el hecho de que el refuerzo ensayado sean laminados
preconformados de fibra de carbono que es un tipo de formato (rígido, con cierto espesor, etc.) que tiene muy comprometida su adherencia al soporte.
- La campaña realizada es bastante reducida y sería necesario ampliar el número de pruebas para establecer mejor el comportamiento de la junta FRP-fábrica.
A la hora de plantear nuevos ensayos podría mantenerse el dispositivo general utilizado pero deberían mejorarse ciertos aspectos tales como: 1) todos los prismas de fábrica deben tener un mismo aparejo diseñado para que la rotura esté únicamente condicionada por problemas de adherencia en la junta y no se vea afectada por fallos a tracción de la fábrica, 2) el prisma de fábrica debe permanecer inmovilizado durante la prueba para que no se produzcan movimientos del mismo en la rotura que favorezcan el despegue limpio del refuerzo y 3) se debe estudiar la adherencia de otro tipo de material de refuerzo como son las hojas de tejido no preimpregnado de fibra de carbono por ser un formato más adecuado para su aplicación a la superficie irregular de las fábricas.