Refuerzos de fibra de carbono para rehabilitación de vigas de madera: modelos analíticos, ensayos experimentales y puesta en obra

Abstract

La madera es uno de los materiales de construcción más respetuosos con el medio ambiente y la lucha contra el cambio climático. Tiene una buena resistencia a compresión y a tracción en relación con su limitada densidad. En muchas ocasiones resulta necesario reforzar o reparar elementos estructurales de madera por medio de materiales de alta resistencia. Tradicionalmente las vigas de madera se han reforzado o reparado mediante la inserción de elementos metálicos, lo cual presenta importantes inconvenientes. Por estas razones, hace algunas décadas se propuso el uso de polímeros reforzados con fibras (FRP) como una alternativa al acero para el refuerzo de elementos de madera. En los últimos años el auge en el uso de los materiales compuestos en construcción está incrementando su popularidad. Sin embargo, actualmente la aplicación de estos refuerzos presenta algunos puntos oscuros, como es el desconocimiento en el comportamiento mecánico de la estructura y el material reforzado, sus mecanismos de fallo (en particular la deslaminación madera-FRP), la falta de normativas, de soluciones constructivas y guías de aplicación. En este contexto, esta Tesis Doctoral evalúa experimentalmente diferentes configuraciones de refuerzo con fibra de carbono (CFRP) sobre vigas de pino de más de 200 años en servicio, extraídas de la cubierta de la Facultad de Derecho de la Universidad de Granada en 2015 por la empresa Dávila Restauración de Monumentos S.L. Para ello, y como primer paso, se han realizado ensayos de adherencia madera-CFRP, con el fin de elegir las resinas y procedimientos de aplicación del refuerzo más apropiados. En estos ensayos se propone además el uso del método de emisión acústica (EA) para caracterizar dicha adherencia. Además, en una fase posterior, se realizan numerosos ensayos a flexión sobre vigas de pequeña y gran escuadría, comparando diferentes configuraciones de refuerzo mediante laminados pultruídos y/o tejidos de CFRP. Se obtiene y compara el comportamiento mecánico para cada configuración. En particular, la Tesis propone una nueva configuración de refuerzo consistente en un trenzado discontinuo mediante tejido, la cual proporciona una excelente mejora en la capacidad de carga y ductilidad del elemento, clave desde el punto de vista la seguridad estructural. Por otro lado, se propone la valoración del comportamiento mecánico de dos configuraciones de refuerzo para la reparación de vigas de gran escuadría con una rotura previa que anula su capacidad portante. Se comprueba que la solución trenzada propuesta en esta Tesis permite recuperar completamente dicha capacidad portante del elemento reparado. Finalmente, se realiza una transferencia directa del conocimiento de la investigación llevada a cabo en el laboratorio, mediante la realización de un demostrador en una actuación “in situ” sobre una cubierta de madera en un edificio histórico de la ciudad de Granada. La investigación llevada a cabo en esta Tesis ha permitido establecer procedimientos y guías de aplicación, así como de cálculo del refuerzo, proponiendo un modelo analítico alternativo al empleado actualmente, y haciendo valoraciones de costes y tiempos de ejecución.

Wood is one of the most respectful building materials for the environment and the fight against climate change. It has good compressive and tensile strength in relation to its limited density. In many cases, it is necessary to strengthen or repair wooden structural elements using high-strength materials. Traditionally, wooden beams have been reinforced or repaired by the insertion of metal elements, which has major drawbacks. For these reasons, the use of fiber-reinforced polymers (FRP) was proposed a few decades ago as an alternative to steel in the reinforcement of wood elements. In recent years the use of composite materials in construction has soared in popularity. However, at present, the application of these reinforcements presents some dark points, such as the lack of knowledge in the mechanical behavior of the structure and reinforced material, their failure mechanisms (in particular the delamination of wood-FRP), the lack of standards and constructive solutions and application guidelines. In this context, this Doctoral Thesis evaluates experimentally different configurations of carbon fiber reinforcement (CFRP) on pine beams of more than 200 years in service, extracted from the cover of the Faculty of Law of the University of Granada in 2015 by the firm Dávila Restauración de Monumentos S.L. To this end, and as a first step, wood-CFRP adherence tests have been carried out in order to choose the most appropriate resins and reinforcement application procedures. These tests also propose the use of the acoustic emission method (AE) to characterize this bond. Subsequently, in a later phase, numerous bending tests are performed on small and large size beams, comparing different reinforcement layouts using pultruded laminates and/or CFRP fabrics. The mechanical behavior for each configuration is obtained and compared. In particular, the Thesis proposes a new reinforcement layout that consists in a discontinuous braiding with fabric, which provides an excellent improvement in the flexural load capacity and ductility of the element, a key element from the point of view of structural safety. Subsequently, it is proposed to evaluate the mechanical performance of two reinforcement layouts to repair largely sized beams with a previous fracture that nullifies their structural capacity. It is verified that the braided solution proposed in this Thesis allows the full recovery of this capacity in the repaired element. As a final step, the knowledge of the research carried out in the laboratory is directly transferred by means of a demonstrator in an on-site intervention on a wooden cover in a historic building in the city of Granada. The Thesis has established application procedures and guidelines, as well as a methodology for the reinforcement calculation, proposing an alternative analytical model to the one currently used, and evaluating costs and performance times.