FRP reinforcement and production of duo timber beams

IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture S E V I L L A IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture S E V I L L AS E V I L L A Antonio Tejedor Cabrera, Marta Molina Huelva (comp.) IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture Sevilla: Universidad de Sevilla, 2017. 1.408 pp. 21 x 29,7 cm ISBN: 38765987928376375 Legal Dep.: 236235768336 All right reserved. No part of this book may be reproduced stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or any means without prior written permission from the Publisher. EDITOR Universidad de Sevilla COMPILERS Antonio Tejedor Cabrera Marta Molina Huelva DESIGN AND LAYOUT BY Pablo Blázquez Jesús María Carrascal Pérez Daniel Longa García Marina López Sánchez Francisco Javier Navarro de Pablos Gabriel Velasco Blanco ADMINISTRATION AND SERVICES STAFF Adoración Gavira Iglesias Seville, november 2017 © 2017. IDA: ADVANCED DOCTORAL RESEARCH IN ARCHITECTURE IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture ORGANIZED BY S E V I L L AS E V I L L A COLLABORATORS IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture All manuscripts have been submitted to blind peer review, all content in this publication has been strictly selected, the international scientific committee that participates in the selection of the works is of international character and of recognized prestige, an scrupulous method of content filtering has been followed in terms of its veracity, scientific definition and plot quality. IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture COMMITTEES CONFERENCE CHAIRPERSONS Antonio Tejedor Cabrera, Coordinator of the PhD Program in Architecture and Director of the University Institute of Architecture and Construction Sciences, Professor Department of Architectural Design, University of Seville Marta Molina Huelva, Secretary of the University Institute of Architecture and Construction Sciences, Professor of the Department of Building Structures and Geotechnical Engineering, University of Seville ORGANISING COMMITTEE María Carrascal Pérez, Department of History, Theory and Architectural Composition, University of Seville Mercedes Linares Gómez del Pulgar, Department of Architectural Graphic Expression, University of Seville Ángel Martínez García-Posada, Department of Architectural Design, University of Seville Pilar Mercader Moyano, Department of Architectural Constructions I, University of Seville Domingo Sánchez Fuentes, Department of Urban Planning and Spatial Planning, University of Seville Manuel Vázquez Boza, Department of Building Structures and Land Engineering, University of Seville CONFERENCE SECRETARY Pablo Blázquez Jesús, Ph.D. student, Department of Architectural Design, University of Seville Marina López Sánchez, Ph.D. student, Department of Architectural Design, University of Seville IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture Las mesas temáticas están dirigidas a los jóvenes doctores y a estudiantes de doctorado de las diferentes universidades participantes que exponen sus experiencias y métodos sobre las investigaciones en desarrollo o recientemente concluidas. La participación en las mesas temáticas se realiza por el procedimiento de selección con revisión por pares ciegos establecido en la call for papers y por medio de invitaciones expresas al debate. Las casi 70 comunicaciones se han estructurado en cuatro áreas temáticas representativas de los programas de doctorado en Arquitectura. El taller de puesta en común se realiza en dos sesiones con la participación de los coordinadores de cada uno de los programas colaboradores del Congreso y de profesores con amplia experiencia doctoral. Sus objetivos son múltiples: debatir sobre las experiencias desarrolladas en las distintas universidades, intercambiar ideas sobre los enfoques y los modelos aplicados, abordar los retos de internacionalización y de gestión, poner en marcha el nuevo Doctorado Industrial con empresas y agencias públicas, etc. Las sesiones plenarias son dos: una sesión plenaria de introducción al congreso, con la intervención de coordinadores de programas de doctorado nacionales y extranjeros; y una sesión plenaria de clausura, con un debate abierto para la reelaboración de las conclusiones extraídas de las mesas temáticas y del workshop y la presentación de las conclusiones finales. Agradecemos a la Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad de Sevilla y a la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Sevilla el apoyo que han proporcionado para la realización de este encuentro que tanto contribuye a clarificar el futuro de los estudios doctorales en las universidades españolas ante el gran reto de la internacionalización y la continua mejora de la calidad de la investigación en Arquitectura. Damos los gracias también a los responsables de los Programas de Doctorado participantes, a la Biblioteca de Arquitectura de la US y a todos los participantes y asistentes. Antonio Tejedor Cabrera Marta Molina Huelva Directores Congreso IDA_Sevilla 2017 Instituto Universitario de Arquitectura y Ciencias de la Construcción IUACC IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture 1. Analyze the research lines of the various programs and build a map of doctoral research in Spain with the support of coordinators, tutors / thesis supervisors, doctoral students and young doctors in the disciplines related to Architecture and their related areas. 2. To know the status of doctoral theses in progress or defended in the last three years, selected by means of a call with blind peer evaluation of the doctoral programs participating in the congress. 3. Discuss the structure and university management of doctoral programs in relation to employment challenges, collaboration with the productive sector and national research programs. 4. Exchange experiences with other international doctoral research programs on international mobility management, theses with international mention, co-supervised theses, theses with industrial mentions, etc. 5. No less important, consolidate a national and international network of Doctoral Programs related to Architecture, Urban Planning, Heritage, Landscape, Technologies and related disciplines. OBJECTIVES IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture Thematic tables The thematic tables are places to present the methodologies and experiences of young doctors and doctoral students from different universities. They are managed by the doctorate students themselves, who generate conclusions to be debated and reworked in the final plenary session. The sessions are developed simultaneously with the presentation of the papers selected in the call, organized in four areas or thematic lines: 1. Architectural technologies 2. Housing, city and territory 3. Heritage and Rehabilitation 4. Analysis and advanced projects Workshop The workshop of the Congress is oriented towards the analysis of the problems and management needs of the Doctorate Programs, with the objective of arriving at conclusions that may be useful to the Universities involved. The coordinators of the Doctorate in Architecture programs and the doctoral students’ representatives will participate in the workshop. The following are topics for debate: lines of research, methodologies, organizational needs of the doctoral programs, the International Doctorate and the Industrial Doctorate, and the future of doctoral research. Plenary Sessions The plenary sessions are held at the beginning and end of the Congress. In the first session of welcome and introduction to the Congress, researchers from the national and international scene and the coordinators of the doctorate programs are invited to participate. In the second plenary session an open debate is proposed for the going over of the proposals drawn from the workshop and the thematic tables. It also serves as a closing ceremony with the presentation of the final conclusions of the 2017 IDA_Sevilla Congress. FORMAT Beams were tested in bending, according to UNE-EN 408 (2011) (Fig.6), and the effects of GFRP reinforcements in the MOE, ultimate strength (MOR) and improvement in the dispersion of results were measured and analyzed. The failure modes of each beam were also observed. Fig. 6 Duo beams test according to UNE EN-408. The results of these tests on reinforced Populus beams are shown in Figure 7, with a significant improvement with increments in the moduli of elasticity of 10% for GFRP reinforcements of 1200 gr / m2 and of around 15% for GFRP reinforcements of 2400 gr / m2. Fig. 7 Box and whiskers graph with the modulus of elasticity of poplar duo beams. At the present time only the previous data analyzes of the poplar duo beams are available, and the bending test of the Pinaster beams is scheduled for close dates. 3.3. Creep tests In order to study the long-term behavior of the reinforced duo beams, in relation to unreinforced ones, a long-term test has been set up, according to UNE-EN 380 (1998), with a total load of 10 kN, which represents approximately 50% of ultimate load of the beams. The ambient conditions of the laboratory remain nominally constant, 20 ± 2ºC; 65 ± 5% humidity in air, corresponding to a hygroscopic balance of 12% HR in the wood (Kollman 1959). The load is applied by means of the filling and filling of individual tanks (Figure 8), single wall polyethylene (PE), with a useful capacity of 1000 liters and dimensions of approximately 1650x720x1260 mm, with upper filling nozzles and lower emptying device, with locking key. The support of the tanks on the beams is made with an intermediate resistant platform, which allows to apply the load on the beams on two points, following the support distances proposed by UNE-EN 408 (2011). 7850 9240 9460 IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture 1. Analizar las líneas de investigación de los diversos programas y construir el mapa de la investigación doctoral en España con el apoyo de los coordinadores, los tutores/directores de tesis, los doctorandos y los jóvenes doctores en las disciplinas relacionadas con la Arquitectura y sus áreas afines. 2. Conocer el estado de las tesis doctorales en marcha o defendidas en los últimos tres años, seleccionadas por medio de una call con evaluadores por pares ciegos de los programas de doctorado participantes en el congreso. 3. Debatir sobre la estructura y la gestión universitaria de los programas de doctorado en relación con los retos de empleo, colaboración con el sector productivo y los programas nacionales de investigación. 4. Intercambiar experiencias con otros programas de investigación doctoral a escala internacional sobre gestión de la movilidad internacional, tesis con mención internacional, tesis en cotutela, tesis con mención industrial, etc. 5. No menos importante, consolidar una red nacional e internacional de Programas de Doctorado relacionados con la Arquitectura, la Urbanística, el Patrimonio, el Paisaje, las Tecnologías y sus disciplinas afines. OBJETIVOS IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture S E V I L L A IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture Architecture technologies / TECNOLOGíAS DE LA ARqUITECTURA p. 23-30: AnAlYsis oF inciDence oF license MAnAgeMent ActiVities in the Processes oF the internAtionAl stAnDArD une iso 21,500 / p. 31-39: ANÁLISIS DE INCIDENCIA DE LAS ACTIVIDADES DE GESTIÓN DE LICENCIAS EN LOS PROCESOS DE LA NORMA INTERNACIONAL UNE ISO 21.500 García Ruiz-Espiga, Adolfo; Soler Severino, Manuel p. 41-49: enVeloPe’s energY PerForMAnce oF uniVersities BuilDings locAteD in BAhiA – BrAZil / p.50-58: DESEMPEÑO ENERGÉTICO DE LA ENVOLVENTE TÉRMICA DE EDIFICACIONES UNIVERSITARIAS CONSTRUIDAS EN BAHIA - BRASIL Santana, Bruno; Coch, Helena p. 59-66: A stuDY oF the essentiAl chArActeristics oF A gloBAl DAnce Floor sYsteM / p. 67-74: ESTUDIO SOBRE LAS CARACTERíSTICAS ESENCIALES DE UN SISTEMA DE SUELO GLOBAL PARA LA DANZA Turiel, Claudia; García-Santos, Alfonso p. 75-83: the rooF therMAl BehAVior in A troPicAl-eQuAtoriAl cliMAte / p. 84-93: EL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE LA CUBIERTA EN EL CLIMA TROPICAL-ECUATORIAL Torres-Quezada, Jefferson; Coch-Roura, Helena; Isalgué, Antonio p. 95-103: FrP reinForceMent AnD ProDuction oF Duo tiMBer BeAMs / p. 104-112: FABRICACIÓN Y REFUERZO DE VIGAS LAMINADAS DÚO CON FRP Balmori, Jose Antonio; Basterra, Luis-Alfonso p. 113-121: MethoDologY oF coMPleMentArY AssessMent to A liFe cYcle AnAlYsis oF the sustAinABilitY oF use gADuA BAMBoo in constructiVe solutions / p. 122-130: METODOLOGíA DE VALORACIÓN COMPLEMENTARIA A UN ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA DE LA SOSTENIBILIDAD DEL USO DEL BAMBÚ GUADUA EN SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS Torres Rojas, José Eduardo; Neila Gonzalez, Francisco Javier p. 131-141: therMoDYnAMics oF MeDiterrAneAn courtYArDs: QuAntiFicAtion AnD APPlicAtions in eco-eFFicient ArchitecturAl Design / p. 142-152: TERMODINÁMICA DEL PATIO MEDITERRÁNEO: CUANTIFICACIÓN Y APLICACIÓN AL DISEÑO DE ARqUITECTURAS ECO-EFICIENTES Rojas Fernández, Juan Manuel; Galán Marín, Carmen; Fernández Nieto, Enrique p. 153-160: coMPleMentArY techniQues For the chArActeriZAtion oF neW construction MAteriAls: AnAlYsis AnD reVieW / p. 161-169: TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE NUEVOS MATERIALES CONSTRUCTIVOS: ANÁLISIS Y REVISIÓN Pedreño-Rojas, M. Alejandro; Morales-Conde, M. Jesús; Rodríguez-Liñán, Carmen; Pérez-Gálvez, Filomena; Rubio-de-Hita, Paloma p. 171-181: current AnD Future DeMAnD-siDe MAnAgeMent PotentiAl relAteD to the therMAl MAss oF resiDentiAl BuilDings in euroPe BAcKgrounD AnD MethoDologicAl APProAch / p. 182-192: POTENCIAL ACTUAL Y FUTURO DE GESTIÓN DE LA DEMANDA ENERGÉTICA ASOCIADA A LA MASA TÉRMICA DE EDIFICIOS RESIDENCIALES EN EUROPA ANTEDECENDES Y PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO de-Borja-Torrejón, Manuel; León-Rodríguez, Ángel-Luis; Auer, Thomas p. 193-203: stuDY AnD AssessMent oF the seisMic VulnerABilitY oF PriMArY school BuilDings locAteD At the AlgArVe AnD huelVA: stAte oF the Art / p. 204-214: ESTUDIO Y VALORACIÓN DE LA VULNERABILIDAD SíSMICA DE EDIFICIOS DE EDUCACIÓN PRIMARIA EN EL ALGARVE Y HUELVA: ESTADO DEL ARTE Requena-García-de-la-Cruz, María-Victoria; Fazendeiro-Sá, Luis; Morales-Esteban, Antonio; Estêvão, João M.C.; Ferreira, Mónica A.; Durand-Neyra, Percy; Oliveira, Carlos Soussa p. 215-222: reseArch on eco-eFFicient structurAl MortArs / p. 223-231: INVESTIGACIÓN SOBRE MORTEROS ESTRUCTURALES ECO-EFICIENTES González-Kunz, Rocío N.; Pineda, Paloma; Morillas, Leandro; Brás, Ana p. 233-242: toWArD A conteMPorArY PlAnning MethoD: technologiAl AnD citiZenshiP coMMitMent / p. 243-253: HACIA UN MÉTODO DE PLANIFICACIÓN CONTEMPORÁNEO: COMPROMISO TECNOLÓGICO Y CIUDADANO Luque Martín, Irene FABRICACIÓN Y REFUERZO DE VIGAS LAMINADAS DÚO CON FRP Balmori, Jose Antonio (1)(*) and Basterra, Luis-Alfonso (1) (1) Grupo de Investigación Reconocido en Estructuras y Tecnología de la Madera. Universidad de Valladolid. (*)[email protected] Resumen: El objetivo principal de la investigación es otorgarle un uso y valor añadido a maderas de rápido crecimiento y bajo coste económico de Castilla y León como son el Populus x euroamericana I-214 y el Pinus pinaster Ait.; fabricando un material industrializado (vigas dúo reforzadas) competitivas en propiedades mecánicas y costes con otros productos de madera industrializada comercializados en la actualidad. El trabajo recoge la metodología seguida y los resultados parciales alcanzados en la fabricación de vigas dúo y vigas dúo reforzadas de madera de Populus x euroamericana I-214 y Pinus pinaster Ait. con bandas rígidas de fibra de vidrio (GFRP). Se muestran los resultados alcanzados en ensayos previos de selección de fibras de refuerzo, adhesivos epoxis y tratamientos superficiales de las bandas rígidas GFRP. Inicialmente se realizan ensayos de flexión con vigas dúo de tablero de fibras de densidad media (MDF) con el fin de eliminar la variabilidad de la madera, alcanzando incrementos en los módulos de elasticidad de entre el 26-38%. En los ensayos finales sobre vigas dúo de madera los resultados muestran mejoras de entre el 10- 15% en los módulos de elasticidad, alcanzando en las vigas dúo reforzadas de chopo valores semejantes a maderas laminadas comerciales. Así mismo se realizan ensayos de fluencia de larga duración ante bajos niveles de carga comparando el comportamiento de vigas dúo sin refuerzo y vigas dúo reforzadas con GFRP. Palabras Clave: Refuerzo estructural, Madera, Viga dúo, Polímero reforzado con fibras (FRP), Sistemas compuestos. 1. Introducción El refuerzo de estructuras de madera en servicio con materiales Fiber Reinforced Polymers (FRP) está extensamente desarrollado en la literatura (Barkis et al 2002). Sin embargo, su aplicación directa a productos comerciales de madera para uso en obra nueva (Parvez 2004) se limita a casos aislados. Partiendo de investigaciones previas (Theakston 1965, Bulleit 1984, Schober et al 2015), este trabajo se centra en la mejora y puesta en valor de maderas de bajas prestaciones mecánicas, rápido crecimiento y bajo precio, mediante la incorporación de refuerzos FRP internos. Para ello se han fabricado vigas laminadas tipo dúo reforzadas, con especies que actualmente no se utilizan en estructuras de modo intensivo en España como el chopo (Populus x euroamericana I-214) y el pino pinaster (Pinus pinaster Ait.). Se emplea la viga laminada dúo por ser el sistema de industrialización más básico. El refuerzo GFRP se introduce en la línea de encolado, protegido de la acción del fuego y agentes atmosféricos (Martin et Tingley 2000). Ello permite distintas variaciones de gramaje, sin ninguna repercusión visual (Fig 1). Fig. 1 Disposición de refuerzos y dimensiones de las vigas dúo ensayadas. 2. Métodos Se estudia la utilización de distintos tipos de refuerzos FRP, adhesivos y cuantía de refuerzo empleado para aumentar la rigidez de las piezas y homogeneizar sus prestaciones mecánicas, a costes comercialmente competitivos. Se realiza una selección y caracterización de los distintos materiales (madera, FRP, adhesivos) mediante distintas campañas de ensayos (tabla 1). Tabla 1. Programa de ensayos previsto. Ensayo Norma aplicable Tejidos FRP (CFRP, BFRP, GFRP) ASTM D2256-02 Adhesivos (poliuretanos, epoxi,…) UNE-EN 56543:1988 Vigas dúo DM+FRP (Escala 1:4) UNE-EN 408:2011 Bandas rígidas GFRP ISO 527‐5:2010 Vigas dúo populus (Escala 1:2) UNE-EN 408:2011 Vigas dúo pinaster (Escala 1:2) UNE-EN 408:2011 Ensayos de delaminación UNE-EN 302:2013 Ensayos de fluencía UNE-EN 380:1998 2.1. Madera empleada La madera utilizada en la fabricación de las probetas de ensayo pertenece a las especies Populus x euroamericana I-214 y Pinus pinaster Ait., ambas provenientes de explotaciones forestales de Castilla y León. Las características básicas de la madera ensayadas se muestran en la tabla 2: Tabla 2. Propiedades mecánicas de la madera. Modulo de Young Tensión última Tipo de madera (GPa) (MPa) Populus x euroamericana I-214 7.83 (10.18*) 36.02 (25.51*) PinuspinasterAit 11.01(14.77*) 54.75(25.41*) * COV% entre paréntesis. Estas especies forestales se extienden por toda la meseta fruto de políticas de reforestación; concentrándose el chopo en las riberas de los ríos y el pinaster en zonas áridas. Actualmente estos recursos madereros se destinan principalmente a usos industriales de primera transformación con valores económicos bajos. 2.2. Selección y caracterización de fibras FRP La primera fase de la investigación se centró en el ensayo y caracterización de diversos tejidos, incorporando en el estudio tanto fibras naturales como fibras sintéticas de alto módulo elástico. Se realizaron ensayos de tracción, según ASTM D2256-02 (2002), para obtener los módulos de elasticidad de cada material, realizándose posteriormente una comparación entre sus prestaciones mecánicas y su coste. Como puede observarse en la figura 2, las fibras naturales no presentan las propiedades mécanicas necesarias para reforzar significativamente la sección de las vigas. Dentro de las fibras sintéticas de alto módulo se pueden observar dos escalones prestacionales; las fibras de carbono y el resto (fibra de vidrio, fibra de basalto,…). Comportamiento a largo plazo (Creep) Los datos recogidos hasta el momento en los ensayos de larga duración a fluencia, no muestran aparentemente mejoras significativas en el comportamiento reológico de las vigas dúo ante la incorporación de refuerzos GFRP en las cuantías anteriormente expuestas. No obstante estas afirmaciones deberán ser contrastadas a la finalización de los ensayos en curso. 5. Referencias Bakis CE, Bank LC, Brown VL, Cosenza E, Davalos JL, Lesko JJ, Machida A, Rizkalla SH, Triantafillou TC, (2002) Fiber-Reinforced polymer composites for construction - State of the art review. J. Compos. Constr. 6-2 (73): 73–87. Parvez A (2004) The reinforcement of timber for structural applications and repair. Dissertation, University of Bath. Theakston FH (1965) A feasibility study for strengthening timber beams with fiberglass. Can. Agric. Eng. January: 17– 19. Bulleit WM (1984) Reinforcement of wood: A review, Wood Fiber Sci. 16 (3): 391–397. Schober KU, Harte AM, Kliger R, Jockwer R, Xu Q, Chen JF (2015) FRP reinforcement of timber structures, Constr. Build. Mater. 97: 106–118. Martin ZA, Tingley DA, (2000) Fire resistance of FRP reinforced glulam beams. Paper presented at the Proc. World Conf. Timber Eng., Whistler, Canada, 2000. ASTM D2256-02 (2002) ‘Standard Test Method for Tensile Properties of Yarns by the Single-Strand Method’. Basterra Otero LA, Acuña L, Casado M, López G, Bueno A. (2012) Strength testing of Poplar duo beams, Populus x euramericana (Dode) Guinier cv. I-214, with fiber reinforcement. Constr. Build. Mater. 36: 90–96. UNE-EN 56543 (1988) Physical and mechanical properties of wood. Determination of shear stress. ISO 527-5 (2010) Plastics - Determination of tensile properties - Part 5: Test conditions for unidirectional fiberreinforced plastic composites. UNE-EN 408 (2011) Timber structures - Structural timber and glued laminated timber - Determination of some physical and mechanical properties. UNE-EN 380 (1998) Timber structures. Test methods – General principles for static load testing. Kollman F (1959) Tecnología de la madera y sus aplicaciones (tomo 1). 2ª Edición. IFIE, Madrid. 6. Agradecimientos Ministerio de Ciencia e Innovación del Gobierno de España; subprograma de Proyectos de Investigación Fundamental No Orientada, 2013-2015 (BIA 2012-31233). Los autores también quieren agradecer la colaboración de la empresa SIKA.