Capacidad resistente de elementos lineales de hormigón armado reforzado con fibras bajo cargas de impacto
- Autores: Gonzalo Sanz-Díez de Ulzurrun Casals
- Directores de la Tesis: Carlos Zanuy Sánchez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Luis Albajar Molera (presid.), Iván Muñoz Díaz (secret.), Antonio R. Marí Bernat (voc.), Gonzalo Ruiz López (voc.), Malgorzata Pajak (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Estructuras, Cimentaciones y Materiales por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
- Resumen
La sociedad actual está muy concienciada sobre la importancia de garantizar la seguridad estructural bajo cargas extremas que, causadas por catástrofes naturales o por acciones humanas, captan una atención mediática y social considerable, por su carácter súbito, devastador y arbitrario. Entre dichas cargas, los impactos de cuerpos rígidos a velocidades moderadas pueden resultar especialmente dañinos. Estos se pueden producir por desprendimientos, impacto de vehículos, y choques de proyectiles aéreos, causados por explosiones o por vientos huracanados, entre otras causas.
A nivel de diseño es común considerar estas acciones dinámicas como cargas estáticas equivalentes. Sin embargo, los impactos presentan una naturaleza muy distinta, caracterizada por cargas pico muy elevadas, velocidades de carga considerables y gran cantidad de energía liberada súbitamente. El análisis mediante cargas estáticas equivalentes puede ser poco riguroso para caracterizar los efectos dinámicos del impacto, como el desarrollo de fuerzas de inercia (que modifican significativamente la distribución de esfuerzos), la propagación de sus efectos, que los impactos demandan una cierta capacidad de disipación de energía, las propiedades del contacto estructura-proyectil y de la inercia de ambos. Por otra parte, las características mecánicas de los materiales presentan sensibilidad a la velocidad de deformación, que habitualmente se caracteriza mediante factores de incremento dinámico (DIF), que pueden ser diferentes para cada mecanismo de rotura implicado en el fallo global.
La suma de estos efectos es especialmente crítica en estructuras de hormigón armado, que tienden a fallar frágilmente por cortante o punzonamiento bajo cargas de impacto, con una capacidad de absorción de energía muy limitada. Esto se ha observado incluso en estructuras con armadura transversal y un modo de rotura estático dúctil. Una de las opciones más interesantes para evitar dicha fragilidad, es aumentar la capacidad de absorción de energía del hormigón mediante la adición de fibras de acero. Gracias a su capacidad de transmitir tensiones a través de las fisuras, el hormigón reforzado con fibras de acero (SFRC) reduce la tendencia a desarrollar fallos frágiles en régimen dinámico. Sin embargo, la sensibilidad del SFRC a la velocidad de deformación no está completamente caracterizada.
En la investigación expuesta en la presente Tesis Doctoral se aborda el problema a diferentes niveles (material y estructural) desde distintas perspectivas (experimental y analítica). El estudio propuesto pretende explicar el comportamiento a impacto de vigas de SFRC armadas longitudinalmente, sin cercos, y evaluar la relevancia de la adición de fibras evitando el desarrollo de fallos frágiles en dichas estructuras en el rango dinámico. Para ello se analizan varias mezclas de SFRC, incluyendo tres tipos de fibras (prismáticas, con anclajes y rectas) en varias dosificaciones (0.5 y 1.0%), además de una serie de referencia de hormigón convencional.
La campaña experimental propuesta consistió en ensayos de material, sobre probetas prismáticas sin entallar, y ensayos estructurales, ejecutados en vigas de 2000x250x125 mm armadas longitudinalmente, ambos realizados a flexión en tres puntos. Para cada una de las siete mezclas ensayadas se ejecutaron varios ensayos de impacto y uno cuasi-estático complementario, tanto en los ensayos de material como los estructurales. Los primeros ensayos mostraron, por lo general, una mejora de las propiedades del SFRC con la velocidad de deformación. La sensibilidad a la velocidad varía en función del tipo de fibras empleado y su dosificación. Por ejemplo, el DIF de la energía de fractura mostró una tendencia a disminuir en las mezclas en las que se observó roturas de fibras, con anclaje y prismáticas. Por su parte, los ensayos estructurales mostraron que ciertas mezclas de SFRC, las que contenían fibras rectas o una dosificación del 1.0%, evitaron el desarrollo del fallo por cortante, cosiendo las finas fisuras diagonales observadas en las almas.
Los resultados experimentales se han discutido analizando modelos teóricos, desarrollados ad-hoc. A nivel material se propone un modelo que define el comportamiento a tracción de las mezclas de SFRC en el rango dinámico. A nivel seccional se plantean dos modelos, uno que estudia el comportamiento en flexión en función de la velocidad de curvatura y un modelo de interacción flexión-cortante en vigas de SFRC sin armadura transversal bajo cargas dinámicas. Por último, se han propuesto dos modelos estructurales no lineales, un modelo continuo de elementos finitos con elementos viga elasto-plásticos y otro modelo de dos grados de libertad considerando el contacto como elasto-plástico, la propagación del vano efectivo y la formación de rótulas plásticas.
La interacción entre estos modelos ha permitido analizar y discutir detalladamente las observaciones experimentales, con las que se verificó la coherencia de los modelos. Entre los temas tratados destacan la caracterización mecánica de diferentes SFRC en régimen dinámico, la descripción de la fuerza de impacto, la propagación del vano efectivo y la sensibilidad a la velocidad de cada modo de fallo, entre otros. Por su parte, el uso del modelo de interacción flexión-cortante con la distribución de esfuerzos del modelo continuo ha aclarado el desarrollo de los fallos por cortante en vigas de SFRC. En resumen, los resultados han mostrado que la eficacia de la adición de fibras evitando el desarrollo de fallos frágiles depende del tipo de fibra empleado, dosificación y, en especial, la tendencia de este tipo de fibra a romperse durante su arrancamiento dinámico.
