Estabilidad global de elementos estructurales de polimero reforzado con fibra de vidrio

Resumen

TÍTULO: ESTABILIDAD GLOBAL DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE POLÍMERO REFORZADO CON FIBRA DE VIDRIO #RESUMEN: Los materiales compuestos creados a partir de un polímero reforzado con fibra de vidrio aportan una resistencia parecida a la del acero con un peso mucho menor. Así, el empleo de estos materiales en los elementos estructurales ofrece varias ventajas, siendo la más evidente la disminución del peso propio de la estructura. Además, la ligereza de estos materiales aplicada al campo de la construcción simplifica enormemente la ejecución de las estructuras. Las estructuras que emplean estos materiales compuestos se ejecutan más rápido, lo que abarata su coste, y con menores riesgos laborales. Sin embargo, en la actualidad los materiales compuestos suelen ser descartados en las estructuras del campo de la construcción por falta de conocimiento respecto a su diseño. El objetivo de la presente tesis es estudiar el comportamiento mecánico de los elementos estructurales de polímero reforzado con fibra de vidrio, proponiendo fórmulas adecuadas para realizar el diseño con ellos. De esta manera se pretende impulsar el empleo de estos materiales en las estructuras. La pultrusión es un proceso industrial con el que se fabrican piezas de material compuesto de geometría prismática a bajo coste. Así, este proceso resulta especialmente adecuado para fabricar elementos estructurales de polímero reforzado. La principal diferencia entre los perfiles pultruidos y los de acero reside en que el material pultruido, a pesar de aportar la misma resistencia, es más flexible. Por este motivo, la estabilidad global del elemento es habitualmente el factor más relevante en su comportamiento. La presente tesis se ha centrado en el estudio de las inestabilidades globales de los elementos estructurales pultruidos. Para ello se han estudiado los diferentes modos de pandeo que presentan las columnas y las vigas. La metodología empleada ha sido la misma tanto para las columnas como para las vigas. En primer lugar se ha realizado un amplio trabajo experimental. Las columnas han sido ensayadas frente al pandeo de Euler y las vigas frente al pandeo lateral. También ha sido necesario efectuar otro tipo de ensayos sobre los perfiles pultruidos, con el objetivo de conocer de manera precisa algunas de sus propiedades. Concretamente se han obtenido las cargas de pandeo local y la rigidez a flexión de los perfiles de manera experimental. Posteriormente se han ajustado las curvas de diseño empleadas por el Eurocódiqo para el acero y la madera al comportamiento observado en los perfiles pultruidos. Como consecuencia se han propuesto diferentes métodos para realizar el diseño de columnas y vigas pultruidas ante las inestabilidades globales. Finalmente, los métodos desarrollados han sido comparados con información experimental propia y de la bibliografía. Como conclusión se ha comprobado que la curva propuesta para las columnas, inspirada en el Eurocódigo, se ajusta satisfactoriamente a todos los resultados experimentales, tanto propios como de la bibliografía, llevando a valores de diseño que están siempre cerca pero debajo de los reales. En el caso de las vigas se han presentado dos posibles curvas de diseño, una ajustada a las vigas de poca esbeltez, y la otra ajustada a los datos experimentales de otros autores, donde las vigas eran más esbeltas. No ha sido posible establecer una única curva válida para todo el rango. La información experimental sobre el pandeo lateral de vigas pultruidas es muy escasa a día de hoy, por lo que aún no se dan las condiciones adecuadas para establecer un método de diseño sobre estos elementos estructurales. Como consecuencia, se propone efectuar más ensayos sobre vigas pultruidas como línea de investigación posterior a esta tesis. Composite materials made of fibre reinforced polymers offer the same strength as steel with less weight. Thus, those materials applied to structural elements may offer many advantages, the most obvious being that the weight of the entire structure decreases. Moreover, lighter materials make construction fast and simpler, thereby reducing costs. Moving lighter elements al so reduces the risk of accidents; which implies a benefit more important than the economical one. However, nowadays polymer matrix composites are hardly used in structures due to the lack of knowledge about its design. Consequently, often weightier materials, such as concrete or steel, are used making the construction work unnecessarily complex. The aim of this thesis is to study the mechanical behaviour of structural elements made of reinforced fibre polymers, and to propose suitable methods for design. The final aim is to promote the use of light composite materials in construction. Pultrusión is a low cost manufacturing process for the fabrication of prismatic elements made of continuous fibre reinforced polymers. Thus, pultrusion is especially appropriate to produce structural elements for construction. Structural shapes obtained by pultrusion can be used in a similar way to that of rolled steel. Furthermore, pultruded profiles are strongly anisotropic, which is a feature common to timber profiles. That is why it would be useful to develop methods for the design of pultruded structural elements such as those currently available for steel and timber. The main difference between pultruded and rolled structural elements is that pultruded material is more flexible than steel, so global stability is paramount for design. The present thesis has been concentrated on studying global instability of pultruded profiles. To carry out such an analysis, different buckling modes nave been studied on columns and beams. The same methodology was followed for both columns and beams. First a broad experimental work has been performed. Columns were tested for Euler buckling while beams were tested for lateral buckling. in order to obtain accurate information about some material properties, it was also necessary to carry out more experimental work on pultruded profiles. Specifically the local buckling load and the flexural stiffness were obtained experimentally. After carryinq out extensive experimental work, design curves used by the Eurocode for steel and timber were adjusted to the behaviour observed in the experiments. Thus, methods for the design of pultruded columns and beams against global instability were proposed. Finally, the methods proposed here were compared with other experimental data gathered from literature.%&/ln conclusión, it has been proved that the design method proposed here for Euler buckling, inspired in the Eurocode, predicts well the behaviour of pultruded columns, being cióse to but always below the real valúes. Two possible design curves have been proposed for pultruded beams. The first curve has been adjusted to the experimental data obtained here, performed in low slenderness elements; the second curve has been adjusted to the experimental data obtained from the bibliography, where slender beams had been used. It has not been possible to establish a valid curve for the entire slenderness range. The available experimental information about lateral buckling in pultruded beams is still scant, so there has not been enough research to determine the final method. In consequence it is proposed to carry out more experimental work in pultruded beams in future research. Beira-zuntzez sendotutako polimeroek altzairuaren erresistentzi berdina eskeintzen dute askoz pisu gutxiagorekin. Beraz, material konposatu hauek egitura elementuetan erabili ezkero lorturiko abantailak ugariak dirá, beraien artean nabarmenena egitura berak jasaten duen zama gutxitzea izanik. Gainera, material ñauen arintasuna eraikuntza esparruan aplikatuko balitz, egituren sortzea izugarri erraztuko litzateke. Material konposatu hauekin egindako egiturak azkarrago burutzen dirá, beraien kostua gutxituz, eta lan arrisku gutxiagoz, azkeneko hau abantaila ekonomikoa baino garrantzitsuagoa delarik. Hala ere, gaur egun material konposatuak eraikuntzetako egituretan nekez erabili ohi dirá, beraien diseinuaren inguruan ezagutza falta déla eta. Ondorioz, egoera askotan material astunagoak erabili ohi dirá lan burutzea premiarik gabe zailduz. Tesi honen helburua beira-zuntzez sendotutako polimeroekin egindako egitura elementuen portaera ezagutzea da, diseinurako formula egokiak proposatuz. Modu honetan material konposatu hauen erabilpena bultzatzea bilatzen da. Pultrusioa geometria prismatikoa duten material konposatuz egindako piezak sortzeko industri prozesu merkea da. Hau déla eta, sendotutako pofimerozko egitura elementuak ekoizteko .bereziki aproposa da prozesu hau. Pultrusioari esker egindako egitura-profilek ijezturiko altzairuzko elementuen aplikazio analogoa dute. Gainera, pultrusiozko egitura-profilak guztiz ortotropoak dirá, egurraren moduan. Hortaz, pultrusiozko elementuen diseinua altzairuzko eta egurrezko egituren diseinurako araudietan oinarriturik egon behar duela dirudi. Pultrusiozko eta altzairuzko egitura-profilen arteko ezberdintasunik aipagarriena lehenengoen malgutasun haundiagoa da. Hau déla eta, beraien diseinuan elementuaren egonkortasun orokorra izaten da faktorerik nabarmenena. Tesi honetan pultrusioz ekoizturiko egitura elementuen ezegonkortasun orokorrak ikertu dirá. Hau burutzeko zutabeek eta habeek jasandako gilbordurak aztertu dira. Bai zutabeetan, bai habeetan ere metodologia bera jarraitu da. Lehenik eta behin lan esperimental zabala burutu da. zutebeetan Eulerren gilbordura aztertu da, habeetan aldiz alboko girboldura. Saiakuntza hauez gam pultrusiozko egitur-profiletan bestelako esperimentuak burutzea beharrezkoa izan da, hauen ezaugarri batzuk zehaztasun haundiagoz ezagutzeko. Zehazki gilbordura lokala sortzen duen karga eta elementuen makurdura zurruntasuna bilatu dirá. Lan esperimentala eta gero, pultrusio profiletan lortu diren emaitzak altzairu eta egurrarentzat Europako kodeak dituen diseinu metodoekin alderatu dirá, ondorioz, ezegonkortasun orokorraren aurrean pultrusiozko zutabe eta habeen diseinua gauzatzeko formulak proposatu dirá. Azkenik, garaturiko metodoak gure eta bibliografiaren saiakuntza informazioarekin parekatu dira. Ondorio bezala, Europako kodean oinarrituta, zutabeen diseinurako kurba bat proposatu da tesiaren barnean. Kurba berri hau bai gure, bai bibliografiako lan esperimentaletan lorturiko emaitzekin bat etortzen déla ikusi da, beti ere balio errealetatik gertu baino azpitik dauden emaitzak lortuz. Habeen kasuan ordea, ez da diseinurako kurba orokor bat zehazterik izan. Kasu honetan bi diseinu kurba aurkeztu dirá, bat lerdentasun gutxiko habeei dagokiena, eta bestea egile batzuen saiakuntza datuetan oinarritutako lerdentasun handiaqoa duten habeei dagokiena. Gaur egun alboko qilborduraren inguruan dagoen informazio urria déla eta, ezinezkoa gertatu da fenómeno honen inguruan behin betiko método bat finkatzea. Beraz, tesi honen jarraipen bezala pultrusio bidez fabrikatutako habeen inguruan ikertze eta