Implicaciones de la alineación predecible de fibras metálicas mediante campos magnéticos en materiales cementosos para el diseño y construcción de estructuras superficiales

El principal objetivo de la tesis es analizar cuales son los principales factores involucrados en el giro de fibras de acero inmersas en materiales cementosos frescos, centrando el estudio en el comportamiento al ser expuestas a campos magnéticos de naturaleza conocida. Poder controlar la alineación de fibras de acero posee implicaciones constructivas interesantes en el mundo de la Arquitectura. Al incluirse como refuerzo discreto de piezas estructurales en el interior de los materiales cementosos, se ha comprobado en la literatura mejoras, tanto en su resistencia, como en la mitigación del avance de fisuraciones. En los casos habituales la fibra está aleatoriamente dispersa, existiendo una fracción de fibras que no contribuye a la mejora de las propiedades resistivas. Es por esta razón, por la que alinear fibras en las líneas respecto a las curvas isostáticas de tensión permite, bien emplear menos fibra de refuerzo bajo los mismos criterios de seguridad, o bien emplear la misma cantidad incrementando la eficiencia final de las prestaciones tectónicas de las estructuras. Las fibras de acero, al ser expuestas a campos magnéticos homogéneos, se ven inducidas a girar sobre su centro de gravedad debido a la presencia de un momento del par magnético. Este proceso acaba alineando el eje magnético de las fibras con las líneas de campo existentes en las cercanías de la fibra. El momento del par inducido magnéticamente debe superar en todo instante las resistencias viscosas de los materiales cementosos frescos con el objeto de lograr la orientación deseada. La presencia viscosa se traduce en unos momentos del par, resistentes al giro, que se encuentran siempre presentes, siendo su naturaleza no lineal. Esto supone investigar ciertas estrategias en la exposición de las fibras a tales campos con el objeto de poder vencer cada una de dichos momentos del par resistentes. Debido a esta razón, se analiza en el estudio de los fenómenos Teológicos relativo a las masas frescas de los compuestos cementosos, analizándose en detalle pastas/morteros. Durante los estudios presentados se ha determinado la existencia de tres de ellos que afectan a la dinámica de la fibra: el momento del par estático/dinámico de fluencia y el momento del par viscoplástico. El momento del par estático de fluencia resulta relevante en el inicio del giro de la fibra cuando esta se encuentra en reposo, mientras que el dinámico sólo es relevante en el frenado, siendo el momento viscoplástico directamente proporcional a la velocidad de giro de la fibra. Formó parte de las tareas de este estudio, estimar el valor de estos momentos del par resistentes sobre una fibra, y para ello se ha empleado en los ensayos un reómetro rotacional con sonda convenientemente modificada. El análisis se ha centrado en parámetros tales como la relación árido/cemento, granulometría y las características de la geometría de la fibra, así como su sensibilidad a campos magnéticos. Por otra parte, el par magnético causante del giro depende de tres factores relevantes, por una parte el momento dipolar magnético de la fibra jlf que se encuentra relacionado con sus propiedades ferromagnéticas. Por otra parte, depende también de la intensidad de campo magnético B presente sobre la fibra, así como de la orientación inicial de la fibra con respecto a la presencia de las líneas de campo. En el estudio se ha determinado experimentalmente el valor de ¿t para diversas geometrías de fibra. Los campos magnéticos homogéneos se han generado con una bobina Helmholtz alimentada con un circuito de descarga LCR diseñado para regular la intensidad de los picos de descarga. El efecto orientador de estos campos se ha analizado sobre fluidos transparentes que poseían valores similares a algunos de los momentos viscosos previamente determinados mediante ensayos reológicos, comprobando fenómenos similares a los que predice el modelo teórico elaborado sobre la dinámica de la fibra. Adicionalmente se han realizado ensayos mecánicos cualitativos sobre piezas de pasta/mortero con fibra, con el objeto de predecir el giro de la fibra en probetas. Una vez determinada y verificada la dinámica de la fibra, se presenta un estudio de giro de la fibra como refuerzo discreto empleado en superficies estructurales. En dicho estudio se incluyen estrategias de orientación de fibra relacionadas con el método magnético aquí expuesto. Tomando como partida el análisis de esfuerzos se ha comprobado que la alineación de fibra se puede realizar tomando como referencia las curvas isostáticas de tensión en las superficies, de tal forma que puedan mejorar la resistencia. En este estudio se ha comprobado finalmente la viabilidad económica de una solución de este tipo, analizando la posibilidad de su futura incorporación a las tecnologías de manufactura aditiva. Todo este estudio permitirá dar un paso en la evolución de la tecnología constructiva, debido a la existencia de un nuevo material cementoso reforzado discretamente con fibras convenientemente alineadas, lo que habilitará la aparición de nuevas formas arquitectónicas. ----------ABSTRACT---------- The main aim of this thesis is to show which key factors are affected when steel fibres are aligned using magnetic fields in fresh cementitious composites. Steel fibres are included as a source of discrete reinforcement in concrete structures (Steel Fibre Reinforced Concrete), and their use has been proven to enhance some material properties, such as strength, due to heightened resistance to cracking and crack propagation. In normal cases, fibres are randomly distributed and, in some fractions of volume of fibres, do not contribute to overall resistance. Aligning steel fibres allows us to use fewer fibres with the same ratio of safety in architectural structures, while using current volume fractions of oriented fibres allows us to efficiently enhance the strength of the concrete structure as a final result. Steel fibres are impelled to rotate under homogeneous magnetic fields due to the existence of magnetic torques, in order to reach aligning orientations parallel to the magnetic fields. This magnetic torque is always opposed by the viscous properties of fresh cementitious composites. Rheology studies the nature of such viscous properties of flowing fluids. That is why this study also looks more deeply into rheological properties of cementitious pastes or mortars. Some of those rheological properties are focused into the (dynamical/static) yield torque as well as into the viscoplastic one. Defining a new procedure to measure the viscous resistive torques in steel fibres, and their possible causes, such as granulometry of aggregates, the cement/water ratio, the use of additives and type of cement is a key task to determining the fibre behaviour during exposure to the magnetic fields. The key idea here is that the magnetic torque of steel fibres immersed in the fresh composites must overcome the viscous torques, and this magnetic torque is a function mainly of magnetic flux intensity ~B from the Helmholtz coil and magnetic dipole moment ~μ due to the ferromagnetic material the fibres are made of: steel. The rheological behaviour of cementitious composites seems to follow the Bingham model, which relies on fibre rotation, with a initially high static yield torque at the beginning of movement, a viscoplastic torque proportional to the rotating fibre, and finally the dynamic yield torque present when the fibre stops moving. The study presented here shows how these three rheological parameters affect the cinematic properties and also the final orientation of fibres. As a secondary aim within this work, an initial theory about the orientation strategies of steel fibres was developed considering only discrete reinforcement in superficial structures. This theory initially developed, is based on the stress analysis theory, considering the stress trajectories within the surface structures as concrete shells. It is well known that concrete has more resistance to compressive forces than to tension, so the strategy is to orient the fibres to reinforce only the tensile stress trajectories in order to compensate structural weakness. The final part of this thesis analyses the enabling technology around this idea in construction areas, such additive manufacturing. Taking the idea of discrete reinforcement, in the context of controlled orientation and positioning of fibres using magnetic fields, such reinforcement could be considered in complete symbiosis with the cementitious composites matrix, enabling a reinforced meta-structure inside the superficial member able to create ad hoc a new material, with some controlled enhanced material properties. This new technology of reinforcement could therefore lead to the design of new architectural forms