Experimental and numerical study of cementitious materials subjected to high strain rate tensile loadings

• Autores: Waleed Hassan M Alhazmi
• Directores de la Tesis: David Ángel Cendón Franco (dir. tes.), Gonzalo Francisco Ruiz López (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2017
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco Gálvez Díaz-Rubio (presid.), Encarnación Reyes Pozo (secret.), X.X. Zhang (voc.), Jesús Rodríguez Pérez (voc.), Héctor Cifuentes Bulté (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Estructuras, Cimentaciones y Materiales por la Universidad Politécnica de Madrid
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de la construcción
      • Tecnología del hormigón
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • Durante las últimas décadas, ha aumentado el número de ataques realizados con explosivos sobre edificios significativos (embajadas, centros comerciales...). Estos sucesos han propiciado que muchos científicos estudien y aporten soluciones para este problema desde distintos puntos de vista. Desde el punto de vista de la ingeniería estructural, los estudios se han centrado en el comportamiento de materiales estructurales sometidos a cargas impulsivas y en el desarrollo de nuevos materiales con propiedades mecánicas mejoradas frente a los efectos de alta velocidad de deformación.

    La experiencia adquirida en este tipo de eventos ha demostrado que la mayor parte de las víctimas de estos ataques son causadas por el colapso progresivo de la estructura y no por el efecto directo de la explosión. Investigaciones previas han demostrado que el uso de materiales dúctiles puede mejorar el comportamiento estructural frente al colapso progresivo. En este sentido, el hormigón reforzado con fibras de acero puede ser considerado como un buen candidato para mejorar el comportamiento estructural frente al colapso gracias a esa mayor ductilidad. Por este motivo, en esta tesis se estudian hormigones reforzados con dos tipos de fibras para investigar sus propiedades frente a un rango amplio de velocidades de deformación.

    Se han realizado tres hormigones distintos, denominados A, B y C, teniendo la misma matriz cementicia y diferente contenido en fibras. Se han utilizado dos tipos distintos de fibra: fibra corta y fibra larga de extremos conformados. De esta forma se emplearon 40kg/m3 de fibra corta en las tres dosificaciones, mientras que la composición de fibra larga conformada fue de 0,20 y 60kg/m3 respectivamente, para los hormigones A, B y C. Los tres hormigones se han caracterizado en régimen estático de acuerdo con las recomendaciones RILEM TC 162-TDF y la norma EN 14651. Además se han realizado ensayos de flexión en tres puntos con máquina hidráulica a velocidades de 2.2 × 〖10〗^(-3) mm/s y 2.2 × 〖10〗^1 mm/s. Los resultados muestran que el aumento de la velocidad de deformación y del contenido en fibras aumenta la resistencia de los hormigones.

    También se han realizado ensayos con torre de caída, con el fin de medir la energía de fractura a alta velocidad de deformación. Para ello se han empleado 3 alturas distintas (40mm, 160mm y 360mm) con una misma masa de 120.6 kg, induciendo de esta forma tres energías de impacto distintas. Los resultados muestras nuevamente cómo cuanto mayor es la velocidad de deformación, mayor es la energía de fractura del hormigón. No obstante, este aumento es tanto mayor, cuanto menor es la resistencia del hormigón en régimen estático.

    Además de estos ensayos, también se han realizado ensayos con carga explosiva sobre placas realizadas con los tres hormigones. Para cada tipo de hormigón, se sometió una placa a una carga explosiva de 2.46 kg de equivalente en TNT y a tres placas a 3.18 kg de equivalente en TNT. En ambos casos, la distancia de la explosión fue de 1.5m. Los resultados muestran que a medida que aumenta la resistencia del hormigón, el patrón de fisuración que se obtiene es más distribuido. Estos ensayos, también han sido útiles para validar las técnicas numéricas desarrolladas en la tesis.

    Con el fin de estudiar la resistencia residual, algunas de las placas previamente ensayadas frente a carga explosiva han sido re-ensayadas de nuevo en régimen estático. Con el fin de comparar con un patrón de referencia, también se ensayaron placas intactas de los tres hormigones en régimen estático. Estos ensayos han proporcionado información novedosa acerca del comportamiento de este tipo de hormigones frente al colapso progresivo.

    En el terreno numérico, se ha propuesto un nuevo modelo para la fractura del hormigón reforzado con fibras a alta velocidad de deformación. El modelo se basa en la técnica de la discontinuidad fuerte en combinación con el modelo de fisura cohesiva. La aportación novedosa de la tesis consiste en definir un factor de incremento dinámico (DIF) función de la abertura de fisura. El modelo se ha implementado en el código comercial LS-DYNA mediante una subrutina de usuario.

    El modelo anteriormente descrito se ha aplicado a la práctica totalidad de los ensayos realizados en la tesis, con excepción de los ensayos de resistencia residual. El buen grado de acuerdo alcanzado entre simulaciones y simulaciones valida las hipótesis realizadas en el desarrollo del modelo.