Fisuración asistida por agua de mar en barras de acero de alta resistencia para construcción

Pérez Guerrero, Mariángel (2017). Fisuración asistida por agua de mar en barras de acero de alta resistencia para construcción. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.49040.

Descripción

Título: Fisuración asistida por agua de mar en barras de acero de alta resistencia para construcción
Autor/es:
  • Pérez Guerrero, Mariángel
Director/es:
  • Valiente Cancho, Andrés
  • Iordachescu, Mihaela
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Departamento: Ciencia de los Materiales
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La investigación desarrollada en esta tesis da respuesta a un problema no resuelto cuyo interés para la ingeniería estructural y para la industria de la construcción ha experimentado un fuerte auge en los últimos años. Los tendones estructurales conformados por barras de acero de alta resistencia para construcción representan actualmente una solución técnica muy versátil que, sin embargo, desborda el alcance de la normativa técnica aplicable y pone de manifiesto la insuficiencia de conocimientos específicos existente en cuanto al comportamiento y caracterización de los materiales estructurales involucrados. Hasta tal punto es así, que una misma aplicación constructiva de dichas barras puede acogerse a la regulación de normas que se contradicen en aspectos muy determinados, pero críticos para la aplicación en cuestión. Los riesgos que entraña esta situación para la seguridad estructural se reflejan en la proliferación de fallos dados a conocer, algunos con importantes repercusiones económicas e incluso mediáticas. La finalidad de la tesis es desarrollar una metodología para prevenir el fallo prematuro de las barras de acero de alta resistencia empleadas en construcción como tendones estructurales, cuando las condiciones de servicio incluyen la exposición a ambientes agresivos, especialmente agua de mar. La fisuración creciente o fisuración subcrítica generada por la acción conjunta de la carga mecánica y del medio agresivo, hasta el agotamiento de la capacidad resistente residual, es el objeto central de estudio de la tesis. No obstante, para identificar fiablemente los micromecanismos físicos de daño con que el medio actúa sobre el acero de las barras, se han incluido en la investigación condiciones de estudio que propician el proceso de daño sin que se manifieste necesariamente como fisuración subcrítica. Las reglas para prevención de fallos prematuros incorporadas a los códigos técnicos de diseño estructural en los últimos años avalan la metodología de investigación adoptada en esta tesis y basada en las teorías de la Mecánica de Fractura, ya que esta disciplina formula los procesos de daño inducido por el ambiente en términos mecánicos, mediante modelos teóricos predictivos consistentes con los mecanismos microestructurales que los explican en términos fisicos. Consecuentemente, la caracterización experimental del material de las barras conforme a los modelos de fisuración subcrítica es parte fundamental de la tesis. Asimismo lo son la experimentación realizada para activar y revelar los micromecanismos fisicos de daño, el análisis fractográfico por microscopía SEM dirigido a identificar dichos mecanismos, la modelización del comportamiento observado en el marco de la Mecánica de Fractura, y la elaboración de los resultados para la prevención en diseño del fallo prematuro de las barras inducido por agua de mar. El capítulo 1 de la tesis justifica la investigación y desarrolla en detalle su planteamiento con arreglo a estos criterios. El capítulo 2 expone los antecedentes relevantes para la investigación, especialmente aquellos que confirman el interés de la misma. Las barras de acero de alta resistencia para construcción poseen resistencias a tracción superiores a 1 GPa y sus diámetros ordinarios oscilan entre 25 y 75 mm. Los productos disponibles en el mercado internacional son limitados y se diferencian en el nivel de resistencia, que está tipificado, y en la microestructura del acero, resultante de la técnica de fabricación. La experimentación de la tesis se ha llevado a cabo con tres tipos comerciales de barras, que abarcan los dos niveles extremos de resistencia y tres microestructuras frecuentes (ferrítico-martensítica, perlítica fina y perlítica con microaleantes ). Los procedimientos de fabricación de las barras condicionan fuertemente las formas y volúmenes disponibles para la extracción y prefisuración del tipo de probetas de ensayo que requieren los métodos experimentales de la Mecánica de Fractura. Por ello, ha sido necesario diseñar y desarrollar un método específico de ensayo de fisuración subcrítica, que proporciona toda la información buscada con gran economía de instrumentación y constituye por ello una de las aportaciones originales de la tesis. En el capítulo 3 de la tesis se describen pormenorizadamente las características de los tres aceros estudiados, el fundamento y la puesta a punto del nuevo método de ensayo, y los resultados obtenidos para los tres aceros, tanto en agua de mar como en un medio artificial de alta agresividad empleado como contraste (la solución FIP de tiocianato amónico). En el capitulo 4 se describen los ensayos denominados de tracción lenta, realizados para la identificación de los micromecanismos de daño a partir del comportamiento mecánico observado macroscópicamente y del análisis fractográfico de las roturas mediante microscopía SEM. Son ensayos de tracción a muy baja velocidad de deformación que se han llevado a cabo para los tres materiales con las probetas expuestas a un medio inerte (aire), al agua de mar y al medio FIP. Las probetas utilizada en estos ensayos no han sido únicamente probetas convencionales de tracción simple, sin concentradores de tensión. Para incorporar en la investigación el efecto del gradiente de tensiones sobre la acción del medio, también se han empleado probetas con un concentrador de tensiones severo, consistente en una entalla axilsimétrica aguda de profundidad moderada. Se constata que el modo de fallo de los tres aceros, libres de fisuras iniciales y expuestos al agua de mar o al medio FIP, no es la fisuración subcrítica sino la localización y extensión inestable del daño, incluso con concentradores de tensión severos. Se identifican los mismos micromecanismos de daño en los dos modos de fallo anteriores y se establece su vinculación con la microestructura del acero y con la acción del medio. En el capítulo 5 de la tesis se analizan y elaboran los resultados de los capítulos 3 y 4 con arreglo a los objetivos y al planteamiento de la investigación. Se formulan las leyes de fisuración asistida en agua de mar para los tres aceros estudiados, estableciendo los umbrales de fisuración y las velocidades de crecimiento subcrítico conforme a modelos de Mecánica de Fractura aplicables en diseño. Finalmente, un análisis integrado del conjunto de resultados obtenidos permite determinar los factores que entrañan riesgo de fallo prematuro inducido por agua mar en los tres tipos de barras estudiados, así como diseñar un procedimiento de prueba de carga incorporado a la puesta en servicio para evitar tales riesgos. The thesis responds to an unsolved problem whose interest for structural engineering and for the construction industry has strongly increased in recent years. The structural tendons made of high-strength steel bars for construction currently represent a highly versatile technical solution which exceeds the scope of the applicable technical regulations and highlights the insufficiency of specific knowledge regarding the behavior and characterization of the structural materials involved. So much so, that the same constructive application involving these bars can be regulated according to distinct standards that contradicts each other in very specific aspects, critical in some specific applications. The risks that this situation entails for structural safety are reflected in some well-known failures cases, some with important economic and even mediatic repercussions. The main purpose of the thesis was to develop a viable methodology to prevent premature failure of high-strength steel bars used as structural tendons in construction, when the service conditions include exposure to aggressive environments, i.e. seawater. The crack growth or subcritical cracking generated by the joint action of the mechanical load and the aggressive medium, until the exhaustion of the residual resistant capacity, is the main objective of the thesis. However, for a reliable identification of the physical micro-mechanisms of environmental damage, the study includes the conditions that favor the damage process without it necessarily manifesting as subcritical cracking. The rules for prevention of premature failures recently incorporated into the technical codes for structural design support the research methodology adopted in this thesis, entirely based on Fracture Mechanics theories. These formulate the environmentally induced damage processes in mechanical terms by predictive theoretical models consistent with the physical damage micromechanisms. Consequently, the experimental characterization of the bars material made in fully accordance with existent subcritical cracking models is a fundamental part of the thesis. Likewise they are the experimentation carried out to activate and reveal the physical micromechanisms of damage, the fractographic analysis by SEM microscopy aimed at identifying such mechanisms, and the elaboration of the results as design recommendations to prevent the premature failure of the bars when exposed to seawater. The first chapter of the thesis contains the research justification and details its approach according to the above mentioned criteria. Chapter 2 presents the research background that confirms the interest for the addressed subject. Generally, the high-strength steel bars for structural applications have tensile strengths higher than 1 GPa and diameters ranging between 25 and 75 mm. The bar products available in the international market are limited and differ in the tensile strength level, which is standardized, and in the steel microstructure, which results from the manufacturing technique. Hence, the experimental research of the thesis that has been carried out with three commercial types of bars, covering the two extreme levels of tensile strength and three frequent microstructures (ferriticmartensitic, fine pearlitic and low alloyed pearlitic steels). The manufacturing procedures of the bars strongly condition the forms and volumes available for the extraction and precracking of the tested specimens that have to meet the Fracture Mechanics requirements. Thus, it was necessary to design and develop a specific testing method for subcritical cracking. This provides all necessary information, with minimum instrumentation and is one of the original contributions of the thesis. This information is contained in the third chapter of the thesis, which also includes the detailed characterization of the three studied steels, the fundamental basis and the calibration of the new testing method, as well the results obtained when seawater and another artificial environment of high aggressiveness used as contrast (the FIP solution of ammonium thiocyanate) were employed. The fourth chapter contains the results obtained from the slow strain rate tests, carried out to identify the damage micromechanisms from the macroscopically observed mechanical behavior and the fractographic analysis of the failure surfaces, by SEM microscopy. These were made for all three materials with cylindrical smooth and cylindrical notched specimens exposed to an inert medium (air), seawater and FIP medium. The severe stress concentrator induced by the circumferential notch allowed determining the effect of the stress gradient in combination with the environment action. It was found that the failure mode of the three steels, when free of initial cracks and exposed to seawater or FIP medium, is not the subcritical cracking but the localization and the unstable extension of the damage, even when severe stress concentrators exist. The same damage micromechanisms were identified in the two previous modes of failure and their connection with the steel microstructure and the environment action is established. Finally, previous research results contained in the third and the fourth chapters were analyzed and validated according to the thesis objectives in the fifth chapter. Thus, there were formulated the laws of assisted cracking in seawater for the three steels studied and established the cracking thresholds and subcritical growth rates according to Fracture Mechanics models applicable in structural design. Last, but not least, an integrated analysis of results allowed obtaining the factors that entail the risk of premature failure induced by seawater for the three types of bars, as well as the design of a proof loading test designated to the bars before incorporating them into service, in order to prevent such risks.

Más información

ID de Registro: 49040
Identificador DC: http://oa.upm.es/49040/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:49040
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.49040
Depositado por: Biblioteca ETSI Caminos
Depositado el: 16 Ene 2018 11:25
Ultima Modificación: 16 Jul 2018 22:30
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