Aliatges amb memòria de forma per reforçar bigues de formigó armat que n'incrementa la resistència a esforç tallant

La tesi doctoral de Joan Maria Rius Gibert proposa una combinació de níquel, titani i niobi com a reforç per evitar trencaments a tallant en elements de formigó armat 

El reforç a tallant d'estructures de formigó armat en servei és sovint necessari pel fet que el trencament a tallant és de tipus fràgil i, així, és essencial evitar aquest tipus de fallada. De fet, una gran quantitat del col·lapses estructurals que han produït pèrdues materials i/o humanes solen estar relacionats, d’una manera o una altra, amb fallades d’aquest tipus.

La tesi doctoral de Joan Maria Rius Gibert, defensada a la Universitat de les Illes Balears, presenta una investigació exhaustiva sobre la viabilitat de l'ús d'aliatges amb memòria de forma (AMF) per reforçar activament bigues de formigó crítiques a tallant.

Concretament, s'ha desenvolupat una tecnologia de reforç a tallant d’elements de formigó mitjançant l’aplicació externa d’un AMF compost per níquel, titani i niobi, amb un ampli comportament histerètic del rang de temperatures de la transformació martensítica per al reforç actiu a tallant de bigues de formigó armat usant la propietat especial de l’efecte de memòria de forma (EMF). Aquest efecte es refereix al fenomen pel qual els AMF poden tornar a una forma prèvia en ser sotmesos a un increment determinat de temperatura que provoqui la transformació de fase, el que es coneix com a activació.

Si, addicionalment, en escalfar un AMF predeformat la seva deformació es troba restringida, per exemple confinant una biga mitjançant una espiral, aquest no pot recuperar la seva forma prèvia i, conseqüentment, desenvolupa tensions que s’anomenen de recuperació. Aquestes tensions de recuperació poden usar-se per pretensar elements de formigó. El fet que, a més, aquest AMF de Ni-Ti-Nb tingui una àmplia histèresi tèrmica en la transformació martensítica, amb temperatures de transformació molt superiors i molt inferiors al rang de temperatures habituals que les estructures de l’enginyeria civil a l’aire lliure poden arribar a patir durant la seva vida útil, el fa especialment interessant per aquest tipus d’aplicacions.

Cal destacar que la majoria de les més freqüents tecnologies de reforç a tallant, per exemple, el reforç amb polímers reforçats amb fibra, són tecnologies passives: cal que l'estructura reforçada augmenti la seva deformació i arribar un nivell elevat de dany abans que el material de reforç pugui començar a contribuir. Alternativament, pot ser necessari un procés de descàrrega previ de l'estructura per recuperar deformacions abans de reforçar-la amb tecnologies passives. La tecnologia proposada en aquesta tesi doctoral utilitza l'EMF per restringir i pretensar activament un element de formigó. D'aquesta manera, el material de reforç comença a treballar immediatament després d’instal·lar-lo i activar-lo.

El material utilitzat per al reforç han estat filferros de Ni-Ti-Nb de 3 mm de diàmetre, que s’han caracteritzat termomecànicament per avaluar-ne l’adequació per al reforç a tallant de bigues de formigó armat en aquest rang de temperatures habituals per a estructures d'enginyeria civil, determinant la seva resistència a tracció i les tensions de recuperació a diferents temperatures i amb diferents tipologies de càrrega. Aquesta material ha mostrat que té un rendiment prometedor.

La tecnologia desenvolupada s'ha experimentat mitjançant el reforç a tallant i assaig a trencament de bigues de formigó armat de petita escala (900x80x150 mm) amb reforç a tallant extern activat. Aquest reforç ha consistit en la col·locació de pseudo-espirals o cèrcols en forma de U de filferros de Ni-Ti-Nb al voltant de bigues per confinar-les i tancar les esquerdes de tallant (si existeixen) durant l'activació. La resistència a esforç tallant s’ha determinat mitjançant l’assaig a trencament de les bigues birecolzades amb càrrega centrada. L’efectivitat del mètode de reforç s’ha comprovat amb un increment mitjà de resistència obtingut de les bigues reforçades respecte de bigues sense reforç del 82%.

També s'ha estudiat l'efecte de les imperfeccions geomètriques del reforç i s'han avaluat les possibles pèrdues prèvies de tensions al Ni-Ti-Nb causades per aquestes imperfeccions mitjançant una nova caracterització del material. S'ha conclòs que els filferros de Ni-Ti-Nb mostren un rendiment prometedor, malgrat les possibles imperfeccions durant la instal·lació en elements a petita escala.

Finalment, a efectes de prediccions de la resistència a esforç tallant, s'han aplicat dos models de tallant diferents: el Compression Chord Capacity Model (CCCM) i les especificacions de tallant de l'Eurocodi 2, per predir la resistència a tallant de les bigues assajades. S'ha aconseguit un bon ajustament entre els resultats experimentals i les prediccions, especialment per al CCCM, que també ha mostrat una bona correlació en termes dels patrons d'esquerdes observats.

Dels treballs d'investigació prèviament revisats, es pot concloure que la tecnologia proposada per al reforç actiu a tallant de bigues de formigó armat funciona adequadament i que podria ser utilitzat en el futur per al reforç d’estructures existents. D’aquesta manera, construirà a assegurar més seguretat i allargar la vida útil de les estructures, i, per tant, n’incrementarà la sostenibilitat al llarg del cicle de vida complet.

Fitxa de la tesi doctoral

  • Títol: Active shear strengthening of reinforced concrete beams using Ni-Ti-Nb Shape Memory Alloys
  • Autor: Joan Maria Rius Gibert
  • Programa de doctorat: Física
  • Directors: Antoni Cladera Bohigas i Carlos R. Ribas González 

Data de l'esdeveniment: 08/05/2019

Data de publicació: 08/05/2019