8/17/2019 UNA NUEVA ERA DE ESTRUCTURAS

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ABSTRACTOLas futuras generaciones de estructuras de ingeniería civil y puentes serán construidos a partir de materialesque son significativamente más ligero,más dura y más duradera. Estructuras y puentes serán monitoreados continuamente y de forma remota paracomunicar surendimiento en condiciones ambientales y de carga. Un ingeniero podría potencialmente comprobar sobreuna base diaria para un posiblemensaje de advertencia del daño que podría tener un costo en vidas humanas.Este artículo revisa la investigación actual y el desarrollo de la Red Canadiense de Centros de Excelencia enInteligentePercibiendo de estructuras innovadoras (ISIS Canadá) sobre el uso de materiales compuestos avanzados comomaterial de construcción y el uso deestructuralmente sensores de fibra óptica integrada para la vigilancia desde una ubicación central a distanciadesde el sitio de las estructuras. El papelrevisa algunas de las solicitudes completadas y en curso, así como algunos de los productos de aplicación deesta tecnología.INTRODUCCIÓNISIS Canadá ha emprendido el reto de la investigación y el desarrollo de una nueva generación de estructuras

de ingeniería civil ypuentes. Estas estructuras se clasifican como innovador mediante el uso de un nuevo sistema estructural y / oel uso de avanzadamateriales compuestos en forma de polímero reforzado con fibra (FRP) materiales. Estas estructurasinnovadoras también son inteligentes en virtudde la utilización de fibras integrado de detección estructural óptica para la monitorización remota continua através de enlaces a una central de monitoreoestación. El uso de FRP tiene la ventaja de estar libre de corrosión con una alta relación resistencia-peso, tienebuena fatigacomportamiento y baja relajación, es electromagnéticamente neutro, y es fácil de manejar. En consecuencia,las estructuras tienen másvida de servicio.

El desarrollo incluye varios tipos de sensores de fibra óptica. La fibra corta longitud de referencia de tensión derejilla de Bragg sensores (FBG)ya han sido utilizados en un número de puentes avanzadas en Canadá, donde se han utilizado para controlartanto lento cepacambios en el tiempo y al mismo tiempo realizar un seguimiento de las cepas transitorios asociados con larespuesta dinámica de los puentes a vehiculartráfico. Estos sensores de fibra óptica tienen un número de ventajas sobre los sensores convencionales y sonparticularmente adecuados parapultruding dentro de refuerzos de materiales compuestos avanzados y tendones de pretensado. Además, lascadenas de fibra óptica talessensores de rejilla se pueden producir a lo largo de una única fibra óptica e interrogados desde un extremo.

sensores de tensión de fibra óptica de largo calibreson ideales para incorporar en envolturas de materiales compuestos avanzados delgadas utilizadas para larehabilitación y el fortalecimiento de corroídacolumnas de hormigón. Tales sensores permiten la columna reparado, como se muestra en la Figura 2, amonitorizar posteriormente para su posiblela acumulación de la presión a la corrosión inducida.

Figura 2 - Long Gauge de fibra óptica sensores de tensión.Claramente, esta nueva forma de detección estructural podría facilitar en gran medida la introducción denuevos materiales compuestos avanzados parapuentes y otras estructuras, garantizando una capacidad de vigilancia integrada. De fibra óptica de latecnología de red de Bragg también tiene el

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promesa de los sistemas basados en microchips integrados optoelectrónicos extremadamente compacto,robusto y de bajo costo. El recién creado"Red de Centros de Excelencia en Detección inteligente de estructuras innovadoras" es un programa único eimportante con lamandato de desarrollar y explorar la aplicación tanto de materiales compuestos y de detección estructural defibra óptica avanzada para civilesIngenieria.Los méritos de Bragg de fibra óptica sensores de rejilla se pueden resumir como sigue:• Tamaño del pelo, dieléctrica, integrable en el hormigón o materiales compuestos. • inmunológico EMI, no conduct or, control remoto ideal.• Resistente a la corrosión o fatiga, larga vida. • Sensor / conducto datos sensoriales, muchos sensores de fibra. • La medida absoluta, interrumpir inmunológico. • Medida de la tensión con la resolución de centímetros a metros. • Auto-diagnóstico de la unión del sensor / anfitrión.• Detectar emisión acústica, optoacoustics, monitoreo cura. • Fabricado en fibra de sorteo, no hay manipulación, de bajo costo. • espectralmente codificado, insensible a las fluctuaciones de energía. • R espuesta lineal a la tensión y la temperatura.Desarrollar actual incluye tres tipos de sensores FBG estructurales. La corta de calibre, aproximadamente 10mm de largo, fueutilizado con éxito en el primer puente de la carretera en el mundo construido con polímero reforzado de fibrade carbono (CFRP)refuerzos para pretensado cuatro vigas del puente (IJ Recientemente, el mismo tipo de medidores cortos seutilizaron para el 13-kmPuente de la Confederación, que se abrió al tráfico el 31 de mayo de 1997.Las largas medidores son convenientes para la rehabilitación y fortalecimiento de las columnas de hormigónexistentes. Estos tipos de medidores son idealespara el seguimiento de los cambios en el aro destaca dentro de las columnas de hormigón que estánrehabilitados y fortalecido con envolturas delgadas

de fibra reforzada hojas de polímeros. Este tipo de medidor se ha utilizado en las columnas de aparcamientossubterráneos en Hull, Quebec, y una carreteracolumna de puente en la autopista 10 en Sherbrooke, Quebec.El tercer tipo de sensores son la cepa de multiplexado y distribuido de detección con rejillas de fibra. Este tipo,que fue recientementedescubierto, tiene la capacidad de medir el perfil de deformación, que podría ser muy conveniente en lamedición de la transferencia cepaproceso dentro de un sistema de anclaje y las tensiones dentro de la longitud de desarrollo de las hojas deFRP.La investigación de ISIS Canadá está también avanzando hacia la construcción de la primera demodulación deuna fibra Bragg sensor de rejillapor un optoelectrónicos láseres sintonizables chip y para medir la longitud de onda.

estructuras innovadorasCubierta del puente innovadoraEste sistema fue desarrollado en colaboración con el Ministerio de Transporte de Ontario y la Asociación deIngenieros Vaughan.El nuevo sistema estructural innovador para la losa de cubierta del puente utiliza fibras no ferrosos bajo costoy es totalmente carente de acerobarras de refuerzo. La cubierta actúa en acción compuesta con las vigas de acero por medio de conexiones decizallamiento y la interconexión de las pestañas superioresde las vigas de acero inmediatamente debajo de la cubierta por medio de correas de acero transversales paraproporcionar la sujeción necesaria para desarrollar el arcoacción dentro de la losa bajo el efecto de la carga del vehículo. El diseño y la construcción del primer puenteconstruido usando este nuevoinnovador sistema, el Salmon River Bridge en Halifax * 21, Nueva Escocia, se muestran en la Figura 3.

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Materiales compuestos avanzados para puentes de carreteras (Bridget HeadingleyDebido a las severas condiciones ambientales y el uso de sal para deshielo de carreteras en varias partes deAmérica del Norte, el usode polímero reforzado con fibra (FRP) de refuerzo de vigas de puentes, losas de cubierta y paredes de barreraes considerado por ISIS Canadáser una solución prometedora para el deterioro de los puentes debido a la corrosión.Debido a la falta de estándares de código para el uso de FRP para las estructuras y puentes, ISIS Manitoba haemprendido el reto deprobando varios modelos estructurales, en algunos casos, modelos a escala real de vigas de puente y losaspara examinar su comportamiento yproporcionar directrices de diseño de seguridad para el uso de este material para la aplicación en campo. Lasprincipales características de Puente Headingley , queestá actualmente en construcción en Manitoba son:• El uso de fibra de carbono reforzado con polímero (CFRP) recta y se cubre los tendones de pretensado decuatro, 31,2 metros de envergadura vigas.• El uso de estribos CFRP refuerzos de corte de dos vigas principales.• El uso de CFRP para la losa de cubierta. • El uso de refuerzos de fibra de vidrio reforzada de polímero (PRFV) para los bordillos puente. • El uso de sensores de fibra óptica 64 y 16 medidores de tensión resistencia eléctrica convencionales paravigilar el puente de un centroestación de monitorización a distancia desde el puente.Las figuras 4 y 5 muestran los detalles de refuerzo y completado viga del puente del puente de Headingleyactualmente en construcción enManitoba.

También se analiza el trabajo de investigación llevado a cabo en un modelo a escala de la viga del puente(Figura 6) y un modelo a escala real deuna parte de la cubierta del puente (figura 7) utilizando el mismo tipo de refuerzos y de los sensores usadospara el puente 14 *. Los resultados fueronimplementado en el diseño y la construcción del puente.

Los resultados preliminares de otros proyectos de investigación actualmente en curso en la Universidad deManitoba para establecer diseño generaldirectrices y códigos de este material también se utilizaron en el puente. Estos proyectos de investigaciónincluyen un programa diseñado paraevaluar la resistencia y el rendimiento de los estribos de FRP para refuerzos de cizallamiento * 5 *. El programaincluyó pruebas de especialespecímenes diseñado (Figura 8) y vigas (Figura 9). En este estudio, el efecto de la flexión de las barras de FRPpara proporcionar la apropiadaSe investigaron anclaje para estribos de FRP y las longitudes de desarrollo necesarias para este tipo deestribos. La fuerza de laestribos de FRP como afectados por el patrón de las grietas de cizalladura diagonales con un ángulo con los

estribos también se estudia.El programa de investigación de ISIS Canadá también incluye pruebas de dos tipos de muestras para estudiarlas características de los bonos, la transferencia delongitud y longitud de desarrollo para hilos y varillas para pretensar las estructuras de hormigón como semuestra en la Figura 10 de CFRP.

Nueva hormigón En GFRPISIS Canadá está trabajando en estrecha colaboración con un grupo de investigación de la Atomic Energy ofCanada Limited (AECL) para examinar laposibilidad de utilizar un bajo calor, hormigón de alto rendimiento (HPC) para la construcción de estructurasde hormigón armado masivaspor el vidrio reforzado con fibra de polímero refuerzos (PRFV), tales como estructuras de contenciónsecundaria para CANDU reactores.

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Este nuevo hormigón LHHPC patente tiene un contenido muy bajo de cemento y, por lo tanto, tiene lahidratación de calor muy baja (15 ° C), que esde una gran ventaja para las estructuras de hormigón masivo cuando se estime que el craqueo térmico paracausar grave problema. LHHPCtiene la ventaja de tener una alcalinidad baja (pH 9) que es adecuado para los miembros estructuralesreforzados con GFRP donde la altaalcalinidad puede causar deterioro de las fibras de vidrio. La investigación en curso se evalúa elcomportamiento estructural deLHHPC elementos estructurales reforzados con refuerzos de PRFV. Esto incluye a la flexión y unióncomportamiento y durabilidadde hormigón armado por GFRP.

FRP postes de transmisiónLa innovación de ISIS Canadá incluye el desarrollo de una nueva generación de postes de transmisión conplástico reforzado con fibramateriales que son libres de corrosión y ligero de peso para un manejo más sencillo. ISIS Canadá estátrabajando actualmente con Faroex de Gimli,

Manitoba, en el diseño y fabricación de estos polos utilizando un proceso de devanado de filamentos. El nuevo32 pies, tres ejes ordenadorbobinadora de filamentos controlada, que ya está en funcionamiento (Figura 11), la devoción requirió de unedificio entero proporcionado por Faroex.Esta máquina tiene un diámetro máximo no modificada de 60 pulgadas. postes de prueba Escala Actualmentese están probando en el estructurallaboratorio de la Universidad de Manitoba bajo condiciones de carga estática. Los resultados del examen seráncomparados con los de elementos finitosmodelo. Las maquetas son examinados para evaluar las propiedades de la resina, geometrías angulares,propiedades de la fibra y sinuoso caminoconfiguraciones. El costo del equipo estaba en el rango de $ 200.000 y fue compartida por ISIS Canadá, Faroexy Manitoba

Centro de Fondos de excelencia. El éxito del proyecto tendrá un impacto significativo en la economía deCanadá a través de las ventas de laproductos y la creación de empleo.

Refuerzos inteligentesISIS Canadá está desarrollando actualmente refuerzos para estructuras inteligentes innovadores. Lamodificación de las instalaciones de investigación requeridade la tecnología de fabricación de extrusión por estirado para permitir la incorporación de sensores de fibraóptica con diferentes tipos de fibras aproducir refuerzos FRP inteligentes para estructuras y puentes de hormigón. La investigación incluye laevaluación de recubrimiento diferente

procesos para el proceso de pultrusión para proporcionar directrices completas de especificaciones deproductos y fabricación. La pultrusiónequipo necesario para procesar los refuerzos FRP inteligentes ha sido diseñado y construido en ISIS Canadá,Composites InteligentesLaboratorio de procesamiento, en la Universidad de Dalhousie. La primera generación del smart FRP,incluyendo sensores ópticos de Fabry-Perot,Actualmente se está probando. Bragg sensores ópticos de rejilla también se pueden incrustar en busca derefuerzos de carbono y de polímero de fibra de vidrio.refuerzo inteligente tendrá ahorros económicos significativos sobre la supervisión de puentes y estructuras,eliminando la necesidadpor el trabajo tedioso y sensible relacionada con la instalación de sensores y el cableado necesario en elemplazamiento de la obra.

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Estructuras de corrosión libre de albañileríaUna de las principales preocupaciones con mampostería pretensado es la corrosión de los tendones depretensado acero y, por lo tanto, el cuidado extremo debedeben tomarse para proteger el acero y el anclaje a la mampostería. El problema se alivia por el uso de FRP.Debido a lacaracterísticas unidireccionales de FRP, anclajes podrían causar reducción significativa de la fuerza FRP debidoa una debilidad de la FRPtendones perpendiculares a las fibras. ISIS Canadá ha tenido éxito en la invención de un nuevo anclaje quesatisfaga los requisitospara un sistema de anclaje post-tensado. El nuevo anclaje está libre de resina y fácil de montar en el campo. Elnuevo anclajesistema ha hecho posible el desarrollo de toda la fuerza del tendón de CFRP. El anclaje está hecho de aceroinoxidable con unadiámetro exterior de 50 mm y 80 mm de longitud. El anclaje está hecho de tres partes: un cilindro exterior deacero que tiene una suavey engrasados orificio cónico; un cuarteto de cuña con un orificio central; y un manguito interno de acero o decobre, que tiene una pequeña paredespesor. El proceso de montaje es recta hacia adelante: el tendón se inserta a través del alojamiento cónico, el

manguito de cobre esdeslizado en el tendón seguido de las cuñas. Las cuñas se pueden insertar en la carcasa y todo el conjunto semovieronpor el tendón a la ubicación deseada para el anclaje. En este lugar las cuñas están sentados con un gatohidráulico antesel tensado. Este proceso es muy similar al proceso de elevación estándar usado actualmente para los tendonesde acero. El tamaño de esteanclaje también es similar al anclaje del tendón de acero estándar y, por lo tanto, no hay grandes diferencias ala práctica sitio.

Innovadoras Anclajes para el Suelotendones de acero utilizados para las anclas de tierra son vulnerables a la corrosión cuando se expone a

ambientes agresivos. ISIS es CanadáActualmente el desarrollo de una nueva generación de corrosión anclas de tierra gratis utilizando CFRP (Figura13). Una característica de este nuevomaterial es la integración estructural de sensores de fibra óptica para la monitorización continua que podríaser utilizado como punto de verificación de lael rendimiento de un grupo de anclajes al terreno para un proyecto particular de gran importancia, tales comola reparación de las presas hidroeléctricas oestaciones de generación de energía eléctrica. El trabajo de investigación actual en ISIS Canadá incluye laevaluación de corto y largo plazopropiedades, efectos de climas y condiciones ambientales, y la capacidad de transporte de carga.

FRP para pavimentos de hormigón

ISIS Canadá está trabajando estrechamente con Manitoba Carreteras y Transportación para investigar laposibilidad de sustitución de aceroclavijas utilizadas en las juntas del pavimento de concreto reforzado con fibra de tacos de plástico. La ventajade las nuevas espigas va a resolver eltradicionales problemas relacionados con la corrosión de los pasadores de acero que conducen al deterioro delpavimento de concreto y continuola sustitución de las articulaciones. La investigación incluye pruebas de especímenes especialmente diseñadospara examinar el comportamiento de la nuevaespigas bajo el efecto de diferentes condiciones de carga debido a las cargas de tráfico y camiones. Elprograma experimental está enprogreso en el Laboratorio McQuade W. R. de la Universidad de Manitoba.