Characterization of the dynamic damping properties of a fiber-reinforced metaconcrete

Abstract

Este trabajo se centra en la caracterización de las propiedades dinámicas de amortiguación de un material reforzado con distintos tipos de fibras llamado metahormigón. Los metahormigones son un tipo de metamaterial diseñado para tener propiedades específicas que no se encuentran en los materiales convencionales. Estas propiedades se logran mediante la agregación de fibras que controlan la propagación de ondas, y en consecuencia, amortiguan las vibraciones producidas en el hormigón. El objetivo de este Trabajo Fin de Grado es la validación experimental de las propiedades amortiguadoras de varios especímenes de metahormigón reforzado con distintos tipos de fibras sometidos a ondas de alta frecuencia. Para la campaña experimental se utilizaron 4 tipos distintos de especímenes de metahormigón de ultra alta resistencia reforzado con diferentes fibras: un hormigón convencional sin fibras (D0), un metahormigón reforzado con fibras cortas (DS), un metahormigón reforzado con fibras largas (DL) y un metahormigón híbrido reforzado con una proporción 50/50 de fibras cortas y largas (DSL). De cada tipo de espécimen se sacaron a su vez 4 probetas cúbicas para poder promediar las medidas registradas. De esta forma, las 16 probetas fueron sometidas a un rango de frecuencias de 0 Hz hasta 25,000 Hz generadas por un altavoz colocado en la cara superior de la probeta. A su vez, se recogieron datos de aceleraciones con 2 acelerómetros, uno en la cara superior de la probeta (RW) y otro en la cara inferior (DW). Las aceleraciones recogidas se pasaron al dominio de la frecuencia a través de la Transformada Rápida de Fourier (FFT) para su análisis, obteniendo la respuesta promediada de todos los especímenes para cada frecuencia. Los resultados de las aceleraciones en el dominio de la frecuencia muestran un comportamiento amortiguador de los metahormigones para un cierto rango de frecuencias, obteniendo para otros rangos un comportamiento contrario. Para obtener una mejor discusión de los resultados se hizo uso de un parámetro denominado transmisibilidad, el cual cuantifica la disminución de aceleraciones en comparación con otra de referencia. En este caso se ha estudiado las transmisibilidades de los metahormigones (DS, DL y DSL) con respecto al espécimen convencional sin fibras (D0). Los resultados obtenidos muestran para ciertos rangos de frecuencias una clara atenuación de las vibraciones registradas, cumpliendo así la hipótesis contemplada. Para otros rangos su análisis es un poco más complejo y se observan aumentos de las aceleraciones registradas. De esta forma, con este trabajo se contribuye a la compresión de las capacidades de amortiguación de los metahormigones de ultra alta resistencia reforzados con fibras y su potencial para mejorar la resistencia de las estructuras frente a cargas dinámicas, lo cual resulta de gran relevancia para aplicaciones en la Ingeniería Civil donde la reducción de vibraciones es crucial.

This project focuses on studying the damping properties of a material called metaconcrete, which is reinforced with different types of fibers. Metaconcretes are special materials designed to have unique properties not found in regular concrete. These properties are achieved by adding fibers that control wave propagation and reduce vibrations in the concrete. The goal of this project is to experimentally validate the damping properties of various fiber-reinforced metaconcrete specimens subjected to high-frequency waves. For the experimental campaign, 4 types of ultra-high-strength metaconcrete specimens reinforced with different fibers were used: conventional concrete without fibers (D0), metaconcrete with short fibers (DS), metaconcrete with long fibers (DL), and hybrid metaconcrete with a 50/50 mix of short and long fibers (DSL). Four cubic samples were taken from each type of specimen to average the measurements. The 16 samples were exposed to frequencies ranging from 0 Hz to 25,000 Hz using a speaker placed on the top surface of the cube. Acceleration data were collected using 2 accelerometers, one on the top surface (RW) and one on the bottom surface (DW). The collected acceleration data were transformed into the frequency domain using the Fast Fourier Transform (FFT) for analysis. The results showed that metaconcretes have damping properties within certain frequency ranges, while exhibiting the opposite behavior in other ranges. For a better discuss of the results, a parameter called transmissibility was used, which measures the reduction of accelerations compared to another acceleration of reference. In this study, the transmissibilities of the metaconcretes (DS, DL, and DSL) were compared to the conventional concrete without fibers (D0). The results showed a clear reduction in vibrations within certain frequency ranges, confirming the hypothesis. For other ranges, the analysis was more complex and increases in the recorded accelerations are observed. This project helps to understand the damping capabilities of ultra-high-strength fiber-reinforced metaconcretes and their potential to improve the resistance of structures against dynamic loads. This is important for Civil Engineering applications where reducing vibrations is crucial.