Crack width control in RC elements with recycled steel fibres and applications to integral structures : theoretical and experimental study

Abstract

El presente trabajo trata de elementos reforzados con barras de armadura y Fibras Metálicas
Recicladas (FMR). El objetivo principal es mejorar el comportamiento a fisuración de elementos
sometidos a flexión pura y a flexión compuesta, aumentando en consecuencia las prestaciones
en servicio de aquellas estructuras con requerimientos estrictos con respecto al control de
fisuración. Entre éstas últimas se encuentran las estructuras integrales, es decir aquellas
estructuras sin juntas (puentes o edificios), sometidas a cargas gravitatorias y deformaciones
impuestas en los elementos horizontales debidas a retracción, fluencia y temperatura.
Las FMR son obtenidas a partir de los neumáticos fuera de uso, y puesto que el procedimiento de
reciclado se centra en el caucho en vez que en el acero, su forma es aleatoria y con longitud
variable. A pesar de que la eficacia del fibrorefuerzo mediante FMR ha sido demostrada en
investigaciones anteriores, la innovación que representa este trabajo consiste en proponer la
acción combinada de barras convencionales y FMR en la mejora del comportamiento a
fisuración. El objetivo es por tanto mejorar la sostenibilidad del proyecto de la estructura en HA
al utilizar materiales reciclados por un lado, y aumentando por el otro la durabilidad.
En primer lugar, se presenta el estado del arte con respecto a la fisuración en elementos de HA,
que sucesivamente se amplía a elementos reforzados con barras y fibras. Asimismo, se resume el
método simplificado para el análisis de columnas de estructuras sin juntas ya propuesto por
Pérez et al., con particular énfasis en aquellos aspectos que son incompatibles con la acción de las
fibras a nivel seccional.
A continuación, se presenta un modelo para describir la deformabilidad seccional y la fisuración
en elementos en HA, que luego se amplía a aquellos elementos reforzados con barras y fibras,
teniendo en cuenta también los efectos debidos a la retracción (tension stiffening negativo). El
modelo es luego empleado para ampliar el método simplificado para el análisis de columnas. La
aportación consiste por tanto en contar con una metodología amplia de análisis para este tipo de
elementos.
Seguidamente, se presenta la campaña experimental preliminar que ha involucrado vigas a escala
reducida sometidas a flexión simple, con el objetivo de validar la eficiencia y la usabilidad en el
hormigón de las FMR de dos diferentes tipos, y su comportamiento con respecto a fibras de
acero comerciales. Se describe a continuación la campaña principal, consistente en ensayos sobre
ocho vigas en flexión simple a escala 1:1 (variando contenido en FRM, Ø/s,eff y recubrimiento) y
doce columnas a flexión compuesta (variando contenido en FMR, Ø/s,eff y nivel de fuerza axil).
Los resultados obtenidos en la campaña principal son presentados y comentados, resaltando las
mejoras obtenidas en el comportamiento a fisuración de las vigas y columnas, y la rigidez
estructural de las columnas. Estos resultados se comparan con las predicciones del modelo
propuesto. Los principales parámetros estudiados para describir la fisuración y el
comportamiento seccional de las vigas son: la separación entre fisuras, el alargamiento medio de
las armaduras y la abertura de fisura, mientras que en los ensayos de las columnas se ha
contrastado las leyes momento/curvatura, la tensión en las barras de armadura y la abertura de
fisura en el empotramiento en la base. La comparación muestra un buen acuerdo entre las
predicciones y los resultados experimentales. Asimismo, se nota la mejora en el comportamiento
a fisuración debido a la incorporación de FMR en aquellos elementos con cuantías de armadura
bajas en flexión simple, en elementos con axiles bajos y para el control de la fisuración en
elementos con grandes recubrimientos, siendo por tanto resultados de inmediato impacto en la
práctica ingenieril (diseño de losas, tanques, estructuras integrales, etc.). VIIIComo
punto final, se presentan aplicaciones de las FMR en estructuras reales. Se discuten dos
casos de elementos sometidos a flexión pura, en particular una viga simplemente apoyada y un
tanque para el tratamiento de agua. En ambos casos la adicción de FMR al hormigón lleva a
mejoras en el comportamiento a fisuración. Luego, utilizando el método simplificado para el
análisis en servicio de columnas de estructuras sin juntas, se calcula la máxima longitud admisible
en casos típicos de puentes y edificación. En particular, se demuestra que las limitaciones de la
práctica ingenieril actual (sobre todo en edificación) pueden ser aumentadas considerando el
comportamiento real de las columnas en HA. Finalmente, los mismos casos son modificados para
considerar el uso de MFR, y se presentan las mejoras tanto en la máxima longitud admisible
como en la abertura de fisura para una longitud y deformación impuesta.
This work deals with elements reinforced with both rebars and Recycled Steel Fibres (RSFs). Its
main objective is to improve cracking behaviour of elements subjected to pure bending and
bending and axial force, resulting in better serviceability conditions for these structures
demanding keen crack width control. Among these structures a particularly interesting type are
the so-called integral structures, i.e. long jointless structures (bridges and buildings) subjected to
gravitational loads and imposed deformations due to shrinkage, creep and temperature.
RSFs are obtained from End of Life Tyres, and due to the recycling process that is focused on the
rubber rather than on the steel they come out crooked and with variable length. Although the
effectiveness of RSFs had already been proven by previous research, the innovation of this work
consists in the proposing the combined action of conventional rebars and RSFs to improve
cracking behaviour. Therefore, the objective is to improve the sustainability of RC structures by,
on the one hand, using recycled materials, and on the other improving their durability.
A state of the art on cracking in RC elements is firstly drawn. It is then expanded to elements
reinforced with both rebars and fibres (R/FRC elements). Finally, the simplified method for
analysis of columns of long jointless structures already proposed by Pérez et al. is resumed, with a
special focus on the points that conflict when taking into account the action of fibres.
Afterwards, a model to describe sectional deformability and cracking of R/FRC elements is
presented, taking also into account the effect of shrinkage (negative tension stiffening). The
model is then used to implement the simplified method for columns. The novelty represented by
this is that a comprehensive methodology to analyse this type of elements is presented.
A preliminary experimental campaign consisting in small beams subjected to pure bending is
described, with the objective of validating the effectiveness and usability in concrete of RSFs of
two different types, and their behaviour when compared with commercial steel fibres. With the
results and lessons learnt from this campaign in mind, the main experimental campaign is then
described, consisting in cracking tests of eight unscaled beams in pure bending (varying RSF
content, Ø/s,eff and concrete cover) and twelve columns subjected to imposed displacement
and axial force (varying RSF content, Ø/s,eff and squashing load ratio).
The results obtained from the main campaign are presented and discussed, with particular focus
on the improvement in cracking behaviour for the beams and columns, and structural stiffness
for the columns. They are then compared with the proposed model. The main parameters
studied to describe cracking and sectional behaviours of the beam tests are crack spacing, mean
steel strain and crack width, while for the column tests these were moment/curvature, stress in
rebars and crack with at column embedment. The comparison showed satisfactory agreement
between experimental results and model predictions. Moreover, it is pointed out the
improvement in cracking behaviour due to the addition of RSF for elements with low
reinforcement ratios, elements with low squashing load ratios and for crack width control of
elements with large concrete covers, thus representing results with a immediate impact in
engineering practice (slab design, tanks, integral structures, etc.).
Applications of RSF to actual structures are finally presented. Two cases of elements in pure
bending are presented, namely a simple supported beam and a water treatment tank. In both
cases the addition of RSF to concrete leads to improvements in cracking behaviour. Then, using
the simplified model for the serviceability analysis of columns of jointless structures, the
maximum achievable jointless length of typical cases of a bridge and building is obtained. In XIIparticular,
it is shown how the limitations of current engineering practice (this is especially the
case of buildings) can be increased by considering the actual behaviour of RC supports. Then, the
same cases are modified considering the use of RSF, and the improvements both in maximum
achievable length and in crack width for a given length and imposed strain at the deck/first floor
are shown.