FRCU - Doctorados - Tesis

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    Análisis de la eficiencia del uso de fibras híbridas como refuerzo del hormigón. Aplicación a tubos de drenaje
    (2023-08-10) González, Federico Alejandro; Rougier, Viviana Carolina; Escalante, Mario Raúl
    El hormigón reforzado con dos o mas tipos de fibras combinadas racionalmente, ´ denominado hormigón reforzado con fibras hıbridas, es un material compuesto que posee propiedades mecánicas mejoradas, especialmente en términos de ductilidad y control de fisuración. Existen diversos tipos de refuerzos híbridos, los cuales incluyen la combinación de fibras de diferentes materiales, con distintas características geométricas y mecánicas. Entre ellas, la combinación de fibras de acero y polipropileno resulta en la mejora de la resistencia a tracción debido al alto modulo y rigidez de las primeras, mientras que las segundas, con bajo modulo e importante capacidad de deformación, contribuyen a mejorar la ductilidad del compuesto. El hormigón reforzado con fibras hıbridas puede ser elaborado y moldeado de manera similar al hormigón simple, donde del mismo modo que cualquier otro agregado. El uso de estos hormigones en tubos de drenaje, sustituyendo de manera parcial o total los refuerzos tradicionales de mallas y barras de acero, podría tener un impacto favorable en la industria del prefabricado desde un punto de vista técnico y económico. En esta Tesis se estudia experimental y numéricamente el comportamiento mecánico del hormigón reforzado con fibras hıbridas (macrofibras de acero y polipropileno) en su aplicación para la elaboración de tubos de drenaje de 600 mm de diámetro. ´ Además, se propone un modelo teórico de calculo para la estimación de la carga máxima en tubos de hormigón reforzado con fibras hıbridas, sometidos al ensayo de compresión diametral de tres aristas. ´ El desempeño mecánico de los tubos mencionados, en términos de capacidad de ´ carga y modos de falla, es comparado con el correspondiente a tubos de hormigón´ armado con refuerzo tradicional de malla de acero, tubos de hormigón simple y con ´ tubos de hormigón reforzado con fibras de acero. Para ello, el programa experimental comprende la elaboración y ensayo de tubos de hormigón reforzado con fibras hıbridas con dos combinaciones distintas de fibras: una de ellas con 20 kg/m3 de fibras de acero y 0,5 kg/m3 de fibras de polipropileno, y la otra, con 20 kg/m3 de fibras de acero y 1,0 kg/m3 de fibras de polipropileno. También los tubos de hormigón reforzado con fibras de acero cuentan con dos dosificaciones diferentes: una con 20 kg/m3 de fibras de acero, y la otra, con 25 kg/m3 de fibras de acero. Los tubos de hormigón armado, que constituyen el grupo de control, corresponden a la clase resistente II según la normativa nacional (Argentina). Los resultados experimentales muestran que los tubos de hormigón reforzados con ´ fibras hibridas alcanzaron los requisitos de resistencia del grupo de control y ofrecen un mejor desempeño mecánico que los tubos de hormigón reforzados con fibras de ´ acero. Además, poseen un comportamiento de rotura dúctil, al contrario de los tubos de hormigón simple que exhibieron una rotura peligrosamente frágil durante los ensayos. Para la simulación numérica se trabaja dentro de la mecánica del continuo con un modelo de daño y plasticidad acoplados desarrollado en el software ABAQUS ® y calibrado a partir de los resultados obtenidos experimentalmente. Dicho modelo permite reproducir el comportamiento de los tubos a partir de algunas de las propiedades mecánicas de los materiales constituyentes y de su disposición en el compuesto. La comparación entre los resultados numéricos y experimentales muestra la capacidad del modelo para simular el comportamiento de los tubos de hormigón reforzado con fibras hıbridas en el ensayo de compresión diametral de tres aristas. Para el calculo teórico de la carga máxima de los tubos en el ensayo de compresión´ diametral, se modifica un modelo existente para fibra única, incorporando los efectos de sinergia que genera la hibridación de las fibras en las propiedades del hormigón. Los resultados obtenidos a partir de dicho modelo modificado muestran una adecuada aproximación a los valores de carga máxima obtenidos experimental y numéricamente, por lo cual, constituye una herramienta útil para el diseño de este tipo de tubos.
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    Estudio numérico-experimental del comportamiento mecánico-estructural de tubos de hormigón reforzado con fibras de acero
    (2024-03-22) Ferrado, Facundo Luis; Escalante, Mario Raúl; Rougier, Viviana Carolina
    La utilización de tubos de sección circular es la opción m ´ as difundida en la actualidad para aplicaciones de drenajes urbanos. La consideración de las fibras de acero como material de refuerzo en tubos de hormigón, en sustitución completa o parcial de la tradicional armadura, podrían tener un impacto positivo en la optimización del producto. Este impacto positivo esta relacionado con las propiedades mejoradas del hormigón reforzado con fibras (HRFA) en comparación con el hormigón tradicional reforzado con barras, entre las que se destacan un mejor comportamiento a tracción principalmente en estado pos-fisura junto con una mayor ductilidad y capacidad de deformación. Las dificultades actuales respecto a su uso están asociadas principalmente a la necesidad de un mayor conocimiento del comportamiento del HRFA aplicado a este tipo de estructuras y también a la escasez de modelos numéricos capaces de predecir aproximadamente el desempeño de los tubos. En este trabajo se investiga el comportamiento mecánico-estructural de tubos de HRFA elaborado con materiales y sistemas de fabricación utilizados por nuestra industria. Para ello, se plantea un modelo representativo de dos fases (hormigón-fibras) que considera la orientación y distribución aleatoria de las fibras dentro de la masa de hormigón y la influencia de dichas variables en la capacidad resistente del tubo. El modelo así propuesto tiene en cuenta también la proporción y geometría de la fibra. Para el hormigón se utiliza un modelo constitutivo desarrollado por el FIB MODELCODE 2010 mientras que para las fibras se utiliza un modelo de material que tiene en cuenta el fenómeno de arrancamiento de manera macroscópica. El modelo numérico desarrollado es implementado en un programa de elementos finitos, el cual reproduce el comportamiento mecánico de tubos de HRFA al someterlos a un ensayo de compresión diametral normalizado. Se llevo a cabo a su vez una campana experimental a escala real y los resultados ˜ obtenidos son comparados entre si. Finalmente se realizo una estimación teórica de los resultados obtenidos numérica y experimentalmente. La metodología propuesta permite analizar la influencia de la orientación y distribución de las fibras en la capacidad resistente del tubo. Del estudio numérico se concluye que dichas variables tienen una influencia significativa en el comportamiento de los tubos estudiados aquí. Por su parte, de la campana experimental se puede concluir que las fibras pueden utilizarse, en dosis adecuadas, como reemplazo de la armadura tradicional y que su utilización modifica tanto la capacidad de carga como el modo de falla en tubos.
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    Modelación numérica y estudio experimental del hormigón reforzado con fibras híbridas : aplicación a vigas de gran altura
    (2025-07-04) Denardi, Miqueas Ceferino; Escalante, Mario Raúl; Rougier, Viviana Carolina
    Las fibras se han incorporado a distintos materiales para mejorar sus propiedades. En el caso del hormigón, es sabido que su resistencia a la tracción es considerablemente menor que a compresión por lo que tradicionalmente se incorporan armaduras de barras de acero para mejorar dicha resistencia. Numerosos estudios han demostrado que el uso de fibras en el hormigón permite una reducción de la cuantía de barras de acero en distintas aplicaciones estructurales. La mayoría de los hormigones reforzados con fibras (HRF) se refuerzan con un solo tipo de fibra. Sin embargo, la fisuración del hormigón es un proceso a escalas múiltiples y un solo tipo de fibra puede proporcionar refuerzo solamente en un nivel y dentro de un rango limitado de deformaciones. Por ello, se puede obtener un refuerzo optimo al ́combinar fibras de diferentes materiales, geometría y/o comportamiento mecánico. En ́consecuencia se obtiene un comportamiento en tracción mejorado mientras que en compresión se comporta de manera similar al hormigón convencional. Entre las mejoras en tracción se destaca el aumento de la tenacidad, de la capacidad para soportar cargas en estado fisurado y de la ductilidad. Ademas se observa una fisuración generalizada con menores anchos de fisuras y una mayor capacidad de conservar la integridad estructural. En el caso particular de vigas de gran altura (VGA), que por sus características de comportamiento mecánico requieren de grandes cantidades de armaduras, la utilización del hormigón compuesto con fibras resulta de gran interés desde el punto de vista constructivo y económico. En esta tesis se estudió experimental y numéricamente la aplicación del hormigón reforzado con fibras de acero y polipropileno en VGA. El objetivo del estudio fue evaluar la eficiencia del uso de estos hormigones en reemplazo parcial de la armadura tradicional de corte y la comparación del uso de hormigones reforzados con un solo o mas tipos de fibras. El programa experimental abarco la elaboración de 36 especímenes a escala de VGA con 3 tipos diferentes de hormigón: hormigón armado sin fibras, hormigón armado reforzado con fibras de acero (HRFA) y hormigón armado reforzado con fibras de acero y polipropileno (HRFH). Las VGA fueron sometidas a cargas cuasi-estáticas monotónicas crecientes en ensayo de flexión en 3 puntos. Todos los especímenes tenían la misma armadura a flexión. Las VGA de hormigón con armadura convencional (sin ́ fibras) fueron armadas con armadura reglamentaria de corte según ́ CIRSOC-201/0578 Resumen (2005), mientras que en las VGA de HRF se dispuso de armadura a corte reducida con respecto a la reglamentaria. Se obtuvieron las curvas carga desplazamiento de cada espécimen estudiando y comparando rigidez inicial, cargas máximas, desempeño post pico de cargas y modos de falla. Ademas, se realizó un análisis del comportamiento mecánico de las VGA por el método de elementos finitos empleando el software ABAQUS®. Para representar el comportamiento mecánico del hormigón se adoptó el modelo Concrete Damaged Plas-ticity (CDP). Dicho modelo supone que los principales mecanismos de falla del hormigón son fisuración por tracción y aplastamiento por compresión. El modelado del HRFA se realizo considerando al hormigón como material homogéneo por un lado y las fibras de acero como elementos discretos distribuidos en el volumen de hormigón. Para el caso del hormigón reforzado con fibras híbridas, se incorporaron al modelo las curvas del comportamiento a tracción uniaxial del hormigón reforzado con macrofibras de polipropileno obtenidas experimentalmente, lo que permitió considerar el aporte de dichas fibras a la resistencia mecánica del material. ́El estudio experimental permitió concluir que las fibras incorporadas a la matriz de hormigón, ya sea combinadas o de un solo tipo mejoraron la capacidad resistente de las vigas con armadura a corte reducida, aumentando las cargas máximas. Además los especímenes de HRF mostraron patrones de fisuración más extensos y con menor apertura de fisura. Por su parte, la comparación de los resultados numéricos con los experimentales mostró la capacidad del modelo de elementos finitos no lineal para predecir el comportamiento mecánico de las VGA. Se observó una buena aproximación a los resultados ́ experimentales en cuanto a la rigidez inicial, carga máxima, comportamiento post-pico y modos de falla de las VGA.