Consideraciones relativas al diseño y a la alta durabilidad de dovelas de hormigón reforzado con fibras no metálicas (HRFnM)

Abstract

The use of the fibre reinforced concrete (FRC) as a construction material has expanded beyond the traditional applications since the publication of design codes and structural guidelines. Fibre reinforced concrete for tunnel lining segments rings is already a standard practice worldwide, where the technical advantages that its use leads are known. Despite of numerous advantages of the FRC, incertitude still exists regarding the design, characterization and performance of these materials. There are several references in the literature on experimental campaigns reinforced with conventional rebars as reinforced with the partial or total replacement of conventional rebars by structural steel fibres. However, studies on the concept of a sustainable precast tunnel segment, reinforced only with macro-synthetic structural fibres is for the moment very minority, in a few cases barely existing, due to the lack of experience with this type of fibres and the lack of knowledge of the benefits they can offer in a long term. In this context, further research is required to improve current tools to characterize and design nonmetallic FRC structures. The main topics addressed in this thesis are oriented to: 1. analyse the structural viability of non-metallic structural macrofibres for tunnel lining segments. 2. Study the durability of plastic fibres against external agents. 3. Establish a design proposal for non-metallic structural fibre-reinforced segments on a real scale. In order to achieve the objectives of the present doctoral thesis, the first part is focused on the study of the structural viability of non-metallic macro-fibres with a structural purpose. For this purpose, several experimental campaigns are carried out in order to evaluate the characterization of the material, observing the influence on the physical and mechanical properties from the type and content of fibers used in the concrete. Subsequently, the study focuses on quality control at early ages. Finally, this first part is concluded with the development of a new technique capable of determining the fibre content in the nMFRC. As important as the resistant capacity of the structures, is their ability to resist during their lifetime period of aggressions that the segments are exposed to. Therefore, it has been considered to study the durability of plastic fibres against external agents. As such, an experimental campaign is carried out in which the filament of the non-metallic fibres is subjected to various aggressive environments and exposures in order to characterise the physical and mechanical properties. Finally, once the structural and durable viability of non-metallic fibres with a structural purpose has been studied, the need to carry out a study of the element on a real scale arises. In this sense, a full-scale study of the segment is carried out, based on the experimental results of the bending test on segments reinforced with polypropylene fibres (10 kg/m3) and metallic fibres (40 kg/m3).

El uso del hormigón reforzado con fibras (HRF) como material de construcción se ha expandido más allá de las aplicaciones tradicionales, donde su uso como material estructural ha sido aceptado por diferentes códigos y guías de diseño. El empleo del hormigón reforzado con fibras para anillos de dovelas de revestimiento de túneles ya es una práctica estándar en todo el mundo, donde se conocen las ventajas técnicas que conlleva su uso. A pesar de las numerosas ventajas del HRF, todavía existe incertidumbre en cuanto al diseño, caracterización y rendimiento de los materiales. Existen en la literatura técnica trabajos, investigaciones y campañas experimentales tanto en dovelas reforzadas con armadura convencional, como reforzadas con la sustitución parcial o total de la armadura convencional por fibras de acero estructural. Sin embargo, los estudios sobre el concepto de dovelas de t úneles prefabricados, reforzados únicamente con fibras estructurales macro sintéticas, son por el momento muy minoritarios. En algunos casos apenas son existentes, debido a la falta de experiencia con este tipo de fibras y al desconocimiento de los beneficios que pueden ofrecer a largo plazo. En este sentido, se hace necesario continuar investigando con el objetivo de mejorar los métodos actuales de caracterización y diseño del hormigón reforzado con fibras no metálicas. Los principales aspectos que se abordan en esta tesis están orientados a: 1. Analizar la viabilidad estructural de las macrofibras no metálicas con finalidad estructural destinadas al uso en dovelas de revestimiento de t úneles, 2. Estudiar la durabilidad de las fibras plásticas frente a agentes externos y, 3. Establecer una propuesta de diseño de dovelas reforzadas con fibras con finalidad estructural no metálicas a escala real. Para alcanzar los objetivos de la presente Tesis Doctoral, el primer bloque se enfoca al estudio de la viabilidad estructural de las macrofibras no metálicas con finalidad estructural. Para ello se realizan diversas campañas experimentales con el fin de caracterizar el material, observándose la influencia en las propiedades físicas y mecánicas a partir del tipo y contenido de fibras empleadas en el hormigón. Posteriormente, el estudio se enfoca en la influencia de la incorporación de fibras en función a las edades tempranas. Finalmente, se concluye esta primera parte con el desarrollo de una nueva técnica capaz de determinar el contenido de las fibras en el HRFnM. Tan importante como la capacidad resistente de las estructuras, es su capacidad para resistir durante su período de vida útil las agresiones a las que las dovelas están expuestas. Por ello, en el segundo bloque se ha considerado estudiar la durabilidad de las fibras plásticas frente a agentes externos. A tal efecto, se realiza una campaña experimental en la que se somete el hilo madre de las fibras no metálicas a diversos ambientes agresivos y exposiciones para as í caracterizar sus propiedades físicas y mecánicas. De manera general, los resultados no demuestran degradaciones significativas en las muestras sobre ninguna de las diferentes disoluciones agresivas empleadas. Finalmente, una vez estudiado la viabilidad en términos estructural y durabilidad de las fibras no metálicas con finalidad estructural, surge la necesidad de realizar un estudio de la dovela a escala real. Los resultados demuestran la viabilidad de dovelas reforzadas totalmente con fibras de polipropileno (cuantía de 10 kg/m3) como con fibras metálicas (40 kg/m3), demostrando un comportamiento dúctil a partir del ensayo a flexión y a la vez con gran capacidad de redistribuir esfuerzos.