Abstract
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.
