Tolerancia al daño del acero inoxidable dúplex trefilado para su uso como acero de pretensar bajo condiciones de servicio singulares

Abreu Rodrigues, Maricely de (2021). Tolerancia al daño del acero inoxidable dúplex trefilado para su uso como acero de pretensar bajo condiciones de servicio singulares. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.67277.

Description

Title: Tolerancia al daño del acero inoxidable dúplex trefilado para su uso como acero de pretensar bajo condiciones de servicio singulares
Author/s:
  • Abreu Rodrigues, Maricely de
Contributor/s:
  • Iordachescu, Mihaela
  • Valiente Cancho, Andrés
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La investigación desarrollada en esta tesis es una contribución que se enmarca en la creciente tendencia hacia una construcción más sostenible. Las mejoras en la durabilidad del acero de pretensar inciden directamente en la vida útil de las estructuras de hormigón pretensado, ya que permiten prolongar las de la ya existentes mediante refuerzos y rehabilitaciones, y aumentar las de diseño para las futuras. Las estructuras más importantes afectadas son aquellas en las cuales el acero de pretensar desempeña una función crítica bajo la forma de tirantes de sustentación o de armadura activa para el hormigón. La alternativa con más expectativas para superar las limitaciones del acero de pretensar convencional es el acero inoxidable trefilado. El propósito de la tesis es contribuir a la evaluación del acero inoxidable dúplex de alta resistencia para su utilización como acero de pretensar en ingeniería estructural. Los objetivos específicos de la tesis se han restringido a la evaluación de la tolerancia al tipo de daño que puede producirse en condiciones de servicio singulares, pero contempladas por la normativa: acción ambiental agresiva más carga de tracción (corrosión bajo tensión), carga transversal más carga de tracción, y carga transversal más carga de fatiga. Los materiales seleccionados para la investigación son dos alambres inoxidables dúplex trefilados con distinto contenido de molibdeno, de los tipos 1.4462 y 1.4482, y como referencia comparativa un alambre comercial de pretensar del tipo Y1670C, que por tanto es eutectoide y cumple los requisitos de tolerancia al daño exigidos al fabricante. La metodología adoptada emplea como medida de la tolerancia al daño la relación entre la capacidad de carga a tracción de los alambres dañados, obtenida experimentalmente, y la magnitud del daño, cuantificado con criterios geométricos. Además de la comparación de los tres tipos de alambres entre sí, la evaluación de la tolerancia al daño incluye la comparación con los límites teóricos, y el análisis de los factores de influencia a través de los macro y micromecanismos de daño. Como referencia preliminar se evalúa la tolerancia al daño por fisuración mediante ensayos de tracción de alambres fisurados por fatiga. La evaluación del daño por corrosión bajo tensión se realiza con alambres lisos y prefisurados por fatiga expuestos al medio fuertemente agresivo de que se sirve la normativa para homologar los aceros de pretensar (medio FIP). Las modalidades de ensayo utilizadas son carga constante hasta colapso, carga constante seguida de carga creciente en medio inerte hasta colapso, y carga lenta hasta colapso. La evaluación de tolerancia al daño por tracción estática y cíclica con carga transversal ha requerido el diseño de un dispositivo de ensayo acoplado a la máquina de ensayos de tracción y fatiga para aplicar simultáneamente una carga de compresión transversal controlada y regulable. El favorable dictamen presentado como conclusión sobre la tolerancia al daño de los aceros dúplex trefilados se basa en que bajo todas las condiciones consideradas su comportamiento sobrepasa los umbrales exigidos por la normativa del acero de pretensar, se sitúa en los límites derivados de los modelos teóricos más favorables, y supera holgadamente al del acero eutectoide convencional utilizado como referencia. La fuerte orientación de la microestructura inducida por el trefilado en frío es un factor determinante del comportamiento observado en los tres tipos de alambres estudiados. La microestructura, influida por el contenido de molibdeno en el caso de los alambres dúplex, condiciona encadenadamente los itinerarios de extensión del daño, los modos de fisuración subcrítica, los macromecanismos de fallo, las cargas de colapso y la tolerancia al daño. El mayor grado de anisotropía transversal de fractura (mayor debilidad de la microestructura en los planos axiales que en los transversales) favorece a los aceros dúplex frente al acero eutectoide, y el mayor contenido de molibdeno favorece al acero dúplex. En definitiva, los resultados de la tesis confirman que la tolerancia al daño no es un obstáculo sino un aliciente para que los alambres de acero inoxidable dúplex fuertemente trefilado puedan ser utilizados como acero de pretensar, a la vez que la metodología de análisis de fallo desarrollada abre una vía para aplicar principios de resiliencia en el diseño de estructuras con cordones expuestos a acciones accidentales. ----------ABSTRACT---------- The results of the research carried out in this doctoral thesis contribute to the development of sustainable construction whose demand is continuously increasing. Current improvements of prestressing steel related to its durability have a direct impact on the safe-life of existing prestressed concrete structures such as their life extension that could be obtained by using reinforcements and rehabilitations methods, and also on the increase of future structures safe-life through present design requirements. Today, despite limitations related to corrosion resistance, prestressing steel is mainly used for conforming strand-tendons for bridges and cables in various prestressed-concrete constructions. Nowadays, cold-drawn stainless steel is a viable alternative to overcome the current limitations of the eutectoid prestressing steel. The main contribution of the thesis concerns the future use of high strength duplex stainless steel as prestressing steel in structural engineering. The main thesis objectives were to determine the damage tolerance of duplex wires when subjected to extreme service conditions contemplated by the regulations in force related to stress corrosion cracking in aggressive environments and under the combined action of transverse loads with tensile static or cyclic loads. The materials selected for the investigation were two cold-drawn duplex stainless-steel wires with different molybdenum content, of 1.4462 and 1.4482 grades and, for comparison a commercial prestressing eutectoid wire, of Y1670C grade, that meets the current damage tolerance requirements. The assessment of the wires damage tolerance was based on the correlation between the experimentally determined bearing load capacity of the damaged wires and the geometrical damage magnitude. In addition to the comparison of the three wire types, the developed damage tolerance diagram included the theoretical limits for the wire fractures and considers the macro and micro mechanisms that triggered the wire ruptures. As a preliminary reference, the wires damage tolerance to surface cracking by tensile testing of fatigue pre-cracked specimens was assessed. Then, the damage induced by stress corrosion cracking was carried out in the FIP environment on smooth and fatigue pre-cracked wires. The tests were made under constant load until rupture, or under constant load followed by increasing load in inert environment until collapse or under slow strain rate until collapse. The assessment of damage tolerance of wires subjected to combined static or cyclic tensile load with transverse loading has required the design of a special testing device. The favourable conclusion regarding the damage tolerance of cold-drawn duplex steels wires was based on the totality of the considered conditions, exceeding the prestressing steel threshold, used as reference material. The strong microstructure orientation induced by cold drawing was the determinant factor in the mechanical behaviour of the three types of studied wires. The microstructure, influenced by the molybdenum content in the case of duplex wires, determines the damage stages, the subcritical cracking modes, the failure macro mechanisms, the collapse loads and damage tolerance. The higher degree of transverse fracture anisotropy (greater microstructure weakness in axial planes than in transverse planes) favours the duplex steels wires over the eutectoid steel ones, and the higher molybdenum content favours the duplex steel wires over the lean duplex ones. The thesis results confirm that the damage tolerance is not an obstacle but an incentive for future use of the cold-drawn duplex stainless steel wires as prestressing steel, while the developed methodology for the analysis of failure marks the path to follow for the resilience principles applying in the structural design of structures employing prestressing strands when exposed to aggressive environments and accidental actions.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainBIA 2011-26486UnspecifiedUnspecifiedUnspecified
Government of SpainBIA 2014-53314–RUnspecifiedUnspecifiedUnspecified
Government of SpainRTI2018-097221-B-I00UnspecifiedUnspecifiedSeguridad estructural de barras de acero de alta resistencia para la construcción en ambientes agresivos

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Item ID: 67277
DC Identifier: https://oa.upm.es/67277/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:67277
DOI: 10.20868/UPM.thesis.67277
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 01 Jun 2021 11:33
Last Modified: 01 Jun 2021 11:33
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