Estrategias innovadoras de refuerzo a fatiga de conexiones en puentes metálicos mediante laminados de PRFC

Abstract

RESUMEN Los puentes metálicos ferroviarios roblonados están sometidos a un elevado número de cargas cíclicas durante su vida en servicio, por lo que pueden presentar problemas de fatiga en ciertos detalles constructivos, como las conexiones larguero-vigueta. Como alternativa a las soluciones tradicionales de refuerzo con placas de acero atornilladas o soldadas, la unión adhesiva de laminados de polímero reforzado con fibra de carbono (PRFC) puede resultar en una técnica prometedora para reducir el nivel tensional en estos detalles. Sin embargo, encontrar una solución de refuerzo eficaz en estos casos supone un gran desafío debido a la falta de espacio para la intervención, la presencia de roblones y la complejidad de la geometría. En este sentido, la falta de estrategias de refuerzo mediante PRFC con unión adhesiva para las conexiones larguero-vigueta motivó el desarrollo de esta tesis doctoral. En primer lugar, a partir de ensayos en juntas adhesivas PRFC-acero, se calibró un modelo de mecánica de fractura para predecir la resistencia de dichas uniones, comparando los resultados con modelos numéricos de zona cohesiva para el adhesivo. A continuación, se estudió el comportamiento a fatiga de la unión adhesiva PRFC-metal con placas de hierro pudelado extraídas de un puente ferroviario del siglo XIX, se obtuvo una curva de resistencia a fatiga S-N y se propuso un límite de fatiga para la tensión principal máxima en el adhesivo. Por último, se evaluó numérica y experimentalmente un innovador sistema de refuerzo a fatiga mediante PRFC para las conexiones larguero-vigueta de un puente ferroviario del siglo XIX para reducir el nivel tensional y poder aumentar la vida útil de la conexión.

ABSTRACT Riveted metallic railway bridges are subject to a large number of cyclic loads during their service life, so they could experience fatigue problems in certain construction details, such as the stringer-floor beam connections. As an alternative to traditional strengthening solutions with bolted or welded steel plates, adhesively-bonded carbon fiber reinforced polymer (CFRP) laminates may result in a promising technique to reduce the stress level in these details. However, finding an effective strengthening solution for these cases is a considerable challenge owing to the lack of space for the intervention, the presence of rivets and the complexity of the geometry. In this sense, the lack of strengthening strategies using adhesively-bonded CFRP for the stringer-floor beam connections motivated the development of this PhD thesis. First, from experimental tests on CFRP-steel adhesive joints, a fracture mechanics model was calibrated to predict the strength of these joints, comparing the results with cohesive zone numerical models for the adhesive. Next, the fatigue behavior of the CFRP-metal adhesive bond with puddle iron plates taken from a 19th century railway bridge was studied, an S-N fatigue strength curve was obtained and a fatigue limit was proposed for the maximum principal stress in the adhesive. Finally, an innovative fatigue strengthening system using CFRP for the stringer-floor beam connections of the 19th century railway bridge was evaluated numerically and experimentally to reduce the stress level and to increase the fatigue life of the connection.