Active continuity of Hollow-Core Slab structural floors using Iron-based Shape Memory Alloys

Abstract

[eng] Since 1940, precast concrete structures have seen a significant increase in usage due to their advantages over conventional structures. These benefits include improved quality, precision, cost efficiency, and faster construction processes. Among the diverse precast solutions, the Hollow-Core Slabs (HCS) distinguishes itself as one of the most optimised choices. This type of unidirectional structural floor, whether with or without concrete topping, exhibits improved behaviour when continuity in hogging bending moments is introduced through reinforcing bars placed at the top. While Iron-based Shape Memory Alloys (Fe-SMA) are relatively new, they have quickly gained prominence in the construction sector. Their standout feature, the shape memory effect, allows them to revert to their original shape even after undergoing large deformations through the martensitic transformation, by heating and cooling the material, making them a valuable asset in construction applications, particularly for prestressing. This research aims to improve the behaviour of Hollow-Core Slab structural floors (HCS-sf) with continuity by using Fe-SMA as prestressing or active reinforcement in the hogging bending moment region. To achieve this goal, the research offers a comprehensive review of the current state of the art. It is complemented by a detailed numerical analysis assessing the feasibility of enhancing the behaviour of HCS-sf—both those with and without concrete topping—using the proposed technique. Additionally, two experimental campaigns are conducted to evaluate the flexural and shear strength of the HCS-sf. The first experimental campaign, subsequent to the detailed characterization of Fe-SMA rebars, entailed the testing of eight specimens of HCS-sf under a central point load. The design variables considered included the HCS height, the presence or absence of concrete topping, and the prestressing or non-prestressing of Fe-SMA rebars. In the second experimental campaign, eight reinforced concrete beam-type specimens were tested under an off-central point load. The design variables for this campaign were the beam height, the number of Fe-SMA reinforcing bars, and whether or not they were prestressed. After noting several improvements in the Service Limit State from the results of the two experimental campaigns, an application in a real building was developed. In the pilot case, Fe-SMAs from another batch of the same provider were utilised. By prestressing or activating the rebars, a pre-camber was measured and compared to the estimated values from a previous numerical analysis. The experimentation results demonstrated the effectiveness of Fe-SMA for use as active continuity reinforcement in HCS-sf. Finally, the research provides recommendations for future studies based on the analyses conducted throughout the research.

[cat] Des de la dècada de 1940, les estructures de formigó prefabricat han experimentat un augment significatiu en el seu ús a causa dels avantatges que ofereixen davant de les estructures convencionals. Aquests beneficis inclouen una major qualitat, precisió, eficiència en el cost i velocitat de construcció. Entre les diverses solucions prefabricades, les plaques alveolars es distingeixen com una de les opcions òptimes. Aquest tipus de forjat unidireccional, ja sigui amb capa de compressió o sense aquesta, millora el seu comportament quan te continuïtat a moment flector negatiu, la qual s’aconsegueix mitjançant la introducció de barres de reforç situades a la part superior del forjat. Tot i que els aliatges amb memòria de forma basats en ferro (Fe-SMA dels seus acrònims en anglès) són relativament nous, han guanyat protagonisme molt ràpidament al sector de la construcció. L'efecte de memòria de forma és la característica que els destaca, la qual els permet tornar a la seva forma original fins i tot després de patir grans deformacions a través de la transformació martensítica. Aquesta transformació s'activa mitjançant l'escalfament i posterior refredament del material, cosa que els converteix en un recurs valuós per a diverses aplicacions a la construcció, especialment per al pretesat. Aquesta investigació té com a objectiu millorar el comportament dels forjats de placa alveolar amb continuïtat mitjançant l'ús de Fe-SMA com a reforç pretesat i/o actiu a moment flector negatiu. Per a aconseguir aquest objectiu, la investigació ofereix una revisió exhaustiva de l'estat de l'art actual. Es complementa amb un anàlisi numèric detallat que avalua la viabilitat de millorar el comportament d'aquests forjats, tant d’aquells amb capa de compressió com sense aquesta, utilitzant la tècnica proposada. A més, s'han dut a terme dues campanyes experimentals per avaluar la resistència a flexió i a tallant d'aquests forjats. La primera campanya experimental, posterior a la caracterització detallada de les barres de Fe-SMA, va consistir en l'assaig de vuit espècimens de forjat de placa alveolar sota una càrrega puntual centrada. Les variables de disseny considerades van incloure el cantell del forjat, l'existència o no de la capa de compressió i el pretesat o no de les barres de Fe-SMA. En la segona campanya experimental, es van assajar vuit espècimens de formigó armat tipus biga sota una càrrega puntual descentrada. Les variables de disseny per a aquesta campanya van ser el cantell de la biga, el nombre de barres de reforç de Fe-SMA i si aquestes estaven pretesades o no. Després d'observar diverses millores en l'Estat Límit de Servei en els resultats obtinguts de les dues campanyes experimentals, es va desenvolupar una aplicació en un edifici real. En el cas pilot, es van utilitzar barres de reforç de Fe-SMA del mateix proveïdor, però provinents d’una altra colada. Quan es van pretesar i/o activar les barres, es va mesurar la contra-fletxa generada. Aquests valors es van comparar amb els resultats estimats obtinguts en un anàlisi numèric previ. Els resultats obtinguts de l'experimentació van demostrar que el Fe-SMA és eficaç per a utilitzar-lo com a reforç de continuïtat actiu a forjats de placa alveolar. Finalment, la investigació proporciona recomanacions per a futurs estudis basats en els anàlisis realitzats al llarg de la investigació.

[spa] esde la década de 1940, las estructuras de hormigón prefabricado han experimentado un aumento significativo en su uso debido a las ventajas que ofrecen frente a las estructuras convencionales. Estos beneficios incluyen una mayor calidad, precisión, eficiencia en el coste y velocidad de construcción. Entre las diversas soluciones prefabricadas, las placas alveolares se distinguen como una de las opciones óptimas. Este tipo de forjado unidireccional ya sea con o sin capa de compresión, mejora su comportamiento al tener continuidad a momento flector negativo, el cual se consigue mediante la introducción de barras de refuerzo situadas en la parte superior del forjado. Si bien las aleaciones con memoria de forma en base hierro (Fe-SMA de sus siglas en inglés) son relativamente nuevas, han ganado protagonismo muy rápidamente en el sector de la construcción. El efecto de memoria de forma es la característica que las destaca, la cual les permite volver a su forma original incluso después de sufrir grandes deformaciones a través de la transformación martensítica. Esta transformación se activa mediante el calentamiento y posterior enfriamiento del material, lo que las convierte en un recurso valioso para diversas aplicaciones en la construcción, especialmente para el pretensado. Esta investigación tiene como objetivo mejorar el comportamiento de los forjados de placa alveolar con continuidad mediante el uso de Fe-SMA como refuerzo pretensado y/o activo a momento flector negativo. Para lograr este objetivo, la investigación ofrece una revisión exhaustiva del estado del arte actual. Se complementa con un análisis numérico detallado que evalúa la viabilidad de mejorar el comportamiento de estos forjados, tanto aquellos con capa de compresión como sin ella, utilizando la técnica propuesta. Además, se han llevado a cabo dos campañas experimentales para evaluar la resistencia a flexión y a cortante de estos forjados. La primera campaña experimental, posterior a la caracterización detallada de las barras de Fe-SMA, consistió en el ensayo de ocho especímenes de forjado de placa alveolar bajo una carga puntual centrada. Las variables de diseño consideradas incluyeron el canto del forjado, la existencia o no de la capa de compresión y el pretensado o no de las barras de Fe-SMA. En la segunda campaña experimental, se ensayaron ocho especímenes de hormigón armado tipo viga bajo una carga puntual descentrada. Las variables de diseño para esta campaña fueron el canto de la viga, el número de barras de refuerzo de Fe-SMA y si estaban pretensadas o no. Después de observar en los resultados obtenidos de las dos campañas experimentales varias mejoras en el Estado Límite de Servicio, se desarrolló una aplicación en un edificio real. En el caso piloto, se utilizaron barras de refuerzo de Fe-SMA del mismo proveedor, pero provenientes de otra colada. Al pretensar y/o activar las barras, se midió la contraflecha generada. Estos valores se compararon con los resultados estimados obtenidos en un análisis numérico previo. Los resultados obtenidos de la experimentación demostraron que el Fe-SMA es eficaz para usarlo como refuerzo de continuidad activo en forjados de placa alveolar. Finalmente, la investigación proporciona recomendaciones para futuros estudios basadas en los análisis realizados a lo largo de la investigación.