Experimental study of possible uses of crumb rubber for structural applications

Abstract

Currently many nations, including the United States, confront one of the biggest international problems concerning the disposal of solid waste, as scrap tires are when they are not properly disposed. To contribute to the solution of this problem, this research was aimed to study some alternatives scrap tires can have in its use in structural engineering applications through the crumb rubber process. In order to meet these objectives, two types of experimental tests were performed. The first were used to determine the mechanical properties of the crumb rubber, while the latter to evaluate the possible structural applications. The latter included: (1) the use of the crumb rubber as confinement to increase the compressive strength of slender steel elements, (2) the use of the rubber as infill into steel frames to withstand lateral loads caused by earthquakes, and (3) reinforce the crumb rubber along with steel rebars to create a shear wall with more stiffness to withstand lateral loads caused by earthquakes. The results of these tests showed that: (1) the compressive strength of steel elements with high slenderness can be increased up to 80% using the crumb rubber as a confinement element , (2) the crumb rubber infill panel used in steel frames is sensitive to the slenderness of the wall, making unfeasible to construct a real size wall due to the slenderness increment, (3) the presence of steel in the reinforced crumb rubber shear wall increase the system stiffness and generate an hysteretic behavior, dissipating energy through load cycles. Finally, the results of the reinforced crumb rubber shear wall were applied to a real building frame as an alternative design to resist the lateral loads induced by earthquakes and were compared to a typical masonry infill frames building. With those models a time history analysis was performed using the structural analysis program SAP2000. It was found that the reinforced crumb rubber shear wall reduced the base shear forces to 40-68 %, resulting in a reduction of the frame sections sizes and costs, facilitating the building design and construction process.

Actualmente Estados Unidos y muchos otros países enfrentan el problema de la disposición de desperdicios sólidos, entre los que se encuentran los desperdicios de gomas o llantas de automóviles, entre otros vehículos de motor que cada año se acumulan, agravando los problemas ambientales. Debido a este problema, esta investigación estudia alternativas para el uso de la goma chatarra en aplicaciones de ingeniería estructural, a través del proceso de trituración de goma. Para cumplir con estos objetivos se realizaron dos tipos de pruebas experimentales, donde las primeras se utilizaron para determinar las propiedades mecánicas de la goma triturada, y las segundas para evaluar las posibles aplicaciones estructurales. En el segundo tipo de pruebas se evaluó la posibilidad de: (1) utilizar la goma como confinamiento para incrementar la capacidad compresiva de elementos esbeltos de acero, (2) utilizar la goma como material de relleno en pórticos de aceros para soportar las cargas laterales ocasionadas por sismos, and (3) reforzar la goma triturada con varillas de acero para crear un muro o pared de corte reforzada con mayor rigidez para soportar las cargas laterales ocasionadas por sismos. Los resultados de estas pruebas mostraron que: (1) es posible aumentar hasta un 80 % la capacidad compresiva de elementos de acero con alta esbeltez utilizando la goma triturada como confinamiento, (2) la respuesta a cargas laterales de la goma utilizada como panel de relleno en pórticos de acero es sensitiva a la esbeltez del panel, haciendo que no sea viable construir una pared de tamaño real debido al aumento de esbeltez, (3) la presencia del acero en el muro de corte de goma triturada incrementó la rigidez del sistema y generó un comportamiento histerético a través de los ciclos de carga. Finalmente se extendió el resultado del muro de corte de goma reforzada a un pórtico de un edificio real, como una alternativa de diseño para la resistencia de cargas laterales inducidas por movimientos sísmicos, y fue comparado con un edificio típico de pórticos rellenos de mampostería. Con estos modelos se realizó un análisis tiempo-historia, y utilizando el programa de análisis estructural SAP2000, se encontró que el muro de corte de goma reforzada triturada, redujo las fuerzas entre un 40 – 68 %, lo que redundaría en la reducción de los tamaños y costos de las secciones de los elementos del pórtico, facilitando el diseño y la construcción del edificio.