Comportamiento a fatiga por cortante de elementos lineales de hormigón armado sin cercos

Resumen

Las estructuras de hormigón son susceptibles de sufrir los efectos asociados a las acciones
de fatiga cuando estas se ven sometidas a un elevado número de cargas repetidas. Muchas
de estas estructuras no requieren armadura transversal para cumplir los condicionantes de
dimensionamiento estático como por ejemplo las losas superiores de tableros de puentes, los
muros de contención, las losas de transición de puentes, las torres eólicas o las estructuras
marítimas. La mayor parte de los códigos de diseño vigentes no incluyen una comprobación
específica del nivel de seguridad a cortante de estas estructuras para acciones de fatiga, y
aquellas que lo hacen prefieren utilizar expresiones de tipo empírico basadas en curvas S-N
que relacionan el número de ciclos resistentes con el valor de la carga aplicada. A pesar de que
el empleo de curvas S-N es de gran utilidad desde un punto de vista práctico, estas curvas no
permiten comprender el proceso de rotura por cortante para cargas repetidas.
El objetivo principal de esta Tesis es el de estudiar el comportamiento a cortante de elementos
de hormigón armado sin cercos sometidos a fatiga. Además, el análisis es ampliado al estudio
del comportamiento transversal de los voladizos de las losas superiores de tableros de puentes
de hormigón que de forma habitual son diseñados sin armadura de cortante. De forma habitual
estos elementos se diseñan atendiendo a criterios de dimensionamiento estáticos sin tener en
cuenta la resistencia a cortante cuando se ven sometidos a cargas cíclicas. A pesar de que las
cargas de fatiga son inferiores a aquellas que producen el fallo estático, es importante tener en
cuenta el comportamiento de estos elementos ante cargas repetidas.
Los trabajos experimentales existentes en vigas de hormigón armado sin cercos evidenciaron
diferencias significativas entre los modos de fallo ante cargas estáticas y cíclicas. Estos trabajos
llegaron a la conclusión de que estos elementos diseñados para tener un fallo dúctil por flexión
pueden llegar a desarrollar un tipo de fallo frágil por cortante cuando se ven sometidos a cargas
repetidas.
El proceso de rotura por cortante en elementos de hormigón armado sin cercos sometidos a
fatiga es un proceso complejo que debe ser estudiado en profundidad debido al carácter frágil
de este tipo de fallo. Los trabajos experimentales permitieron comprobar que el origen de este
fallo tiene lugar tras la formación de una fisura de cortante a partir de una fisura de flexión
formada durante los primeros ciclos en el vano de cortante. Tras la formación de esta fisura,
esta se va propagando hacia la cabeza de compresión hasta que finalmente se produce el fallo
como consecuencia de la destrucción de la cabeza de compresión cuando la altura alcanzada
por esta es insuficiente para resistir la fuerza de compresión aplicada en esta zona. Por otra
parte, la propagación de esta fisura diagonal puede desarrollarse por completo en el instante en el que esta se forma derivando en un tipo de fallo por cortante más frágil que el anterior.
El proceso de fatiga es estudiado en esta Tesis mediante un modelo mecánico. Por una parte,
se propone un modelo predictivo para determinar el número de ciclos acumulados hasta que se
forma la fisura diagonal en función del estado tensional que se tiene en la punta de una fisura
crítica de flexión formada en los primeros ciclos. Por otra parte, la resistencia a fatiga tras la
formación de la fisura diagonal se analiza teniendo en cuenta el daño por fatiga acumulado en
la cabeza de compresión y las variables que afectan a la propagación de esta fisura de cortante.
Para la evaluación de la resistencia a fatiga tras la formación de la fisura crítica de cortante en
este tipo de elementos, se plantea un modelo teórico basado en conceptos de Mecánica de la
Fractura adaptados al hormigón. Este modelo puede ser aplicado a vigas de hormigón armado
sin cercos de canto constante o variable siguiendo diferentes procedimientos.
Una campaña experimental ha sido llevada a cabo con el objetivo de estudiar el comportamiento
a cortante de vigas de hormigón armado sin cercos de canto variable sometidas a
cargas estáticas y de fatiga. Se han desarrollado un total de diez ensayos estáticos y de fatiga
para diferentes niveles de carga y esbelteces de cortante, teniendo lugar diferentes modos de
fallo. Estos elementos fueron diseñados para reproducir, a escala real y de forma simplificada,
los voladizos laterales de las losas superiores de tableros de puentes de carretera de hormigón.
Los resultados experimentales demostraron que el tipo de fallo desarrollado depende de varios
parámetros como por ejemplo el nivel de carga máxima, el nivel de oscilación de tensiones en
la armadura longitudinal, la esbeltez de cortante o la calidad del hormigón utilizado entre otros.
Para valores similares de esbeltez de cortante, los ensayos de fatiga realizados permitieron
comprobar que la rotura por cortante de estos elementos está asociada a niveles de carga
máxima elevados, mientras que el fallo por fatiga de la armadura longitudinal tiene mayor
probabilidad de ocurrir en elementos sometidos a elevados niveles de oscilación de tensiones
en esta armadura. Además, estos ensayos han sido analizados a través del modelo propuesto
para tratar de comprender el comportamiento resistente de estos elementos sometidos a cargas
de fatiga.
Concrete structures are able to suffer fatigue when they are subjected to high number of cyclic
loads. Many of these need not shear reinforcement to satisfy static design requirements, such
as bridge deck slabs, retaining walls, bridge approach slabs, wind towers or maritime structures
among others. Many codes of practice do not include a verification of the shear fatigue safety.
Moreover, those which include it still prefer empirical S-N-based approaches that provide the
number of cycles as a function of applied forces. S-N models are practical but they do not
provide information to understand the shear fatigue process.
The main objective of this Thesis is to study shear behaviour of reinforced concrete elements
without stirrups subjected to fatigue loads. In addition, the analysis is extended in order to
study the transverse behaviour of cantilever slabs of concrete bridges that traditionally are
designed without shear reinforcement. These elements usually are designed on the basis
of static strength and it is unusual that codes consider fatigue strength of concrete in shear.
Accordingly, it is important to take into account the fatigue behaviour of structural members
subjected to cyclic loads although these loads are lower than those which produce the static
failure.
Existing experimental works show important differences between the static and cyclic failure
modes of reinforced concrete beams without stirrups. These works concluded that beams
without transverse reinforcement, designed to have a ductile failure mode in flexure, can submit
a brittle shear failure mode when they are subjected to repeated loads.
Shear fatigue failure of reinforced concrete beams without stirrups is a rather complex process
from the mechanical viewpoint. Since it leads to a brittle failure mode it should be better
understood. Experimental evidence indicates that a diagonal crack first develops from the
inclination of flexural cracks in the shear span. Thereafter, the diagonal crack propagates into
the compression zone. Failure normally takes place by the destruction of the compression
zone when its depth is too small to resist the applied force. The propagation of the diagonal
crack can also be instantaneous, leading to sudden diagonal cracking fatigue failure rather than
shear-compression failure.
Fatigue process is studied in this Thesis on a mechanical basis. On the one hand, a predictive
model is derived to obtain the number of cycles up to diagonal cracking, as a function of the
stress state at the tip of a critical flexural crack. On the other hand, the residual fatigue strength
after diagonal cracking is analyzed taking into account the fatigue damage accumulated by the
compression zone and the variables affecting the propagation of the diagonal crack. In order to assess the residual fatigue strength after diagonal cracking of such elements, a theoretical
model is proposed based on concepts from fracture mechanics adapted to concrete. This model
can be successfully applied for straight or haunched reinforced concrete beams without stirrups
following different procedures.
In order to achieve a more advanced knowledge in this subject, an experimental campaign has
been carried out with the aim of study the shear behaviour of reinforced concrete haunched
beams without stirrups subjected to static and fatigue loads. A total of ten static and fatigue
tests have been performed with distinct load levels and shear span-to-depth ratios, presenting
different failures modes. These elements were designed to reproduce in a simplified form the
cantilever slab of concrete bridges at real scale.
Experimental results showed that the type of failure depends on several parameters as for
example the maximum load level, the stress oscillation level on the longitudinal reinforcement,
the shear span-to-depth ratio or the quality of the concrete used among others. For a similar
value of the shear span-to-depth ratio, tests evidenced that shear fatigue failure is related to
high maximum load levels, while steel fatigue failure is easier to occur in elements subjected to
high stress oscillation level on the reinforcement bars. Besides, these tests have been analyzed
through the proposed model in order to clarify the structural behaviour of such elements
subjected to fatigue loads.