FRCU - Doctorados
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Item 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 CarolinaLa 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.Item 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 RaúlEl 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.Item Remoción de metales pesados de efluentes líquidos industriales utilizando residuos de biomasa como bioadsorbentes e inmovilización en matrices cerámicas(2020-12-15) Romano, Melisa Soledad; García, María del Carmen; Quaranta, Nancy EstherLa descarga de metales tóxicos como el cadmio, cobre, plomo, níquel y zinc a los cursos de agua se ha incrementado en los últimos años debido al crecimiento de las actividades industriales. Estos xenobióticos constituyen un problema ambiental grave debido a su naturaleza no biodegradable, persistente y acumulativa. Entre las diversas tecnologías utilizadas para la remoción de estos contaminantes se destaca la biosorción que se caracteriza por su efectividad, simplicidad y bajo costo. En este estudio, se ha seleccionado como bioadsorbente a la cáscara de arroz, un residuo lignocelulósico altamente disponible en la provincia de Entre Ríos. El material fue empleado en su forma natural y modificado químicamente, con hidróxido de potasio o con ácido fosfórico, para analizar la capacidad de sorción de los contaminantes. Los adsorbentes fueron caracterizados por espectroscopia infrarroja, microscopía electrónica de barrido con análisis dispersivo de energía de rayos X, análisis térmico diferencial y termogravimétrico, difracción de rayos X y mediante la determinación del pH en el punto de carga de cero. La remoción de los metales tóxicos fue significativamente mayor al emplear el residuo activado con hidróxido de potasio. En todas las alternativas estudiadas, el proceso de biosorción resultó favorecido al incrementar el pH, la temperatura del medio y la masa de biosorbente, mientras que disminuyó al aumentar la concentración inicial del metal. El equilibrio del proceso se alcanzó rápidamente, ajustándose a una cinética de pseudo-segundo orden. Para los adsorbentes empleados se presentaría una sorción en monocapa, con sitios de sorción homogéneos. Finalmente, el residuo resultante del proceso de sorción (biomasa-contaminante) fue usado para analizar la capacidad de inmovilización del metal tóxico en matrices cerámicas. Los valores de porosidad, pérdida de peso por calcinación, propiedades mecánicas y eficiencia de retención, indicarían que las piezas obtenidas presentan propiedades adecuadas para su uso en servicio.Item Comportamiento estructural de la madera de Álamo (Populus deltoides ´Australiano 129/60´ y ´Stoneville 67´) cultivado en el delta del río Paraná(2019-06-21) Guillaumet, Alfredo Aníbal; Piter, Juan Carlos Jesús; Acuña Rello, LuisEn objetivo principal de esta tesis es conocer las principales propiedades mecánicas y físicas de la madera aserrada de los clones de Populus deltoides ´Australiano 129/60´ y ´Stoneville 67´ cultivados en el delta del río Paraná . Se diseñó un amplio programa experimental que incluyó: diez muestras para ensayos de flexión, dos muestras para ensayos de compresión paralela a las fibras, dos muestras para ensayos de compresión perpendicular a las fibras y dos muestras para ensayos de tracción paralela a las fibras, integradas por 889, 100, 143 y 130 probetas respectivamente. Para el desarrollo de este programa se respetaron los lineamientos de la normativa europea: UNE EN 408 (2011), UNE EN 384 (2010) y UNE EN 338 (2010) como base. Se evaluó la incidencia de las singularidades de apreciación visual en las propiedades mecánicas. En primer lugar, se analizó la influencia del ataque del insecto Megaplatypus Mutatus, se definieron 4 grados de ataque. Se confirmó el alto impacto negativo que posee en la resistencia pero se alcanzaron resultados que alientan a profundizar este estudio con el objetivo de confirmar la posibilidad de utilizar, para uso estructural, las piezas que presenten un grado de ataque leve. Por otro lado, se ratificó la importancia como parámetros para una clasificación visual de la nudosidad y de la presencia de médula, y en menor medida de la inclinación de las fibras. Se debe destacar la baja nudosidad que presentaron las piezas. Se analizaron diferentes perfiles de resistencia, rigidez y densidad, con los correspondientes límites para los principales parámetros visuales en línea con el sistema internacional de clases resistentes establecido en la norma europea EN 338 (2010). Se confirmó la razonabilidad de tratar a los dos clones en conjunto y utilizar un método de clasificación único para tablas y vigas, se concluyó que el método propuesto por la norma IRAM 9662-4 (2015) es el que ofrece las mayores ventajas técnicas y económicas. Se realizaron estudios complementarios que permiten profundizar el comportamiento de la especie como material estructural: i) resistencia y rigidez en compresión paralela y perpendicular a las fibras y su relación con el comportamiento a flexión y la densidad, ii) resistencia en tracción paralela a las fibras y su relación con la resistencia a flexión, iii) influencia de la altura de la sección en la resistencia a flexión y aplicabilidad de la fórmula de ajuste propuesta en la norma UNE EN 384 (2010), iv) relación entre el módulo de elasticidad local y global, v) relación entre el módulo de elasticidad dinámico (métodos de ultrasonido y vibraciones inducidas) con los módulos local y global. Los resultados obtenidos demuestran que la madera de esta especie de rápido crecimiento ofrece un muy buen comportamiento en los aspectos estructurales estudiados y que constituye una alternativa interesante para el proyectista de estructuras de madera, tanto como madera aserrada como en vidas laminadas encoladas (IRAM 9660-1 2015). Al mismo tiempo, se pone en evidencia la necesidad de profundizar algunos de los aspectos estudiados y otros nuevos, por ejemplo, estudios para obtener aquellas propiedades mecánicas indispensables para la aplicación de modelos numéricos.Item Caracterización físico-mecánica del pino resinoso (Pinus taeda y Pinus elliotti) cultivado en el nordeste argentino para uso estructural(2018-12) Fank, Pamela Yohana; Piter, Juan Carlos Jesús; Stefani, Pablo MarceloEl objetivo principal de esta Tesis es la caracterización físico-mecánica de la madera aserrada estructural de pino resinoso (Pinus taeda, Pinus elliottii) cultivado en el nordeste argentino. Para alcanzar dicho objetivo se diseñó una investigación empírica sobre 7 muestras integradas por un total de 574 piezas en tamaño estructural. Se investigó la influencia de las características visuales sobre las propiedades mecánicas, confirmándose que la nudosidad, la médula y los anillos de crecimiento constituyen las singularidades de mayor relevancia en la madera estudiada. Se analizaron diferentes perfiles de resistencia, rigidez y densidad con los correspondientes límites para los principales parámetros visuales. Asimismo se estudió la aplicabilidad de los métodos de clasificación visual vigentes en Argentina para el pino del nordeste. De la comparación entre las dos especies estudiadas se corroboró que ambas presentan un comportamiento mecánico similar. También se compararon las propiedades mecánicas en flexión con las de tracción paralela a las fibras. Fue estudiada la eficiencia de parámetros mecánicos para predecir la resistencia a flexión, obteniéndose la mayor correlación para la combinación del módulo elástico, densidad y nudosidad. Se analizaron perfiles de resistencia, rigidez y densidad basados en el parámetro combinado y en el módulo de elasticidad, probándose la aptitud de estas especies para ser clasificadas mecánicamente. Además se evaluó la aplicabilidad de un método acústico por vibraciones para la predicción de la rigidez del material estudiado. También se contemplaron otros aspectos relacionadas con el comportamiento estructural de la madera aserrada, destacándose la relación entre el módulo de elasticidad global y el local en flexión, la influencia del tamaño de la sección transversal sobre la resistencia y el efecto de las cargas de larga duración. Los resultados obtenidos alientan a la revisión de la normativa argentina vigente sobre ambas especies estudiadas y a futuros estudios relacionados con la obtención experimental de aquellas propiedades mecánicas indispensables para la aplicación de modelos numéricos que permitan optimizar el uso estructural de este material renovable.Item Comportamiento resistente y elástico de uniones construidas con elementos de fijación de acero tipo clavija en piezas aserradas de Eucalyptus grandis cultivado en Argentina(Universidad Tecnológica Nacional. Facultad Regional Concepción del Uruguay., 2015-05-22) Sosa Zitto, María Alexandra; Piter, Juan Carlos Jesús; Köhler, JochenEste trabajo de Tesis se elaboró con el propósito de alcanzar dos objetivos generales: 1) conocer el comportamiento resistente y elástico de las uniones construidas con elementos de acero tipo clavija en tablas de madera aserrada de Eucalyptus grandis cultivado en la Mesopotamia Argentina, 2) conocer si el criterio adoptado por el Reglamento Argentino de Estructuras de Madera CIRSOC 601 interpreta, con la seguridad requerida en el moderno diseño estructural, el comportamiento mecánico de este tipo de conexiones con la especie estudiada. Para alcanzar estos objetivos, se diseñó y ejecutó una investigación empírica sobre 536 ensayos normalizados destinados a conocer el comportamiento mecánico de conexiones simples y múltiples construidas con la especie investigada, y 49 pruebas estandarizadas para determinar el momento de plastificación en elementos de fijación (clavos) de pequeño diámetro. Todo el programa experimental se llevó a cabo siguiendo los lineamientos de las normas europeas. Ante requerimientos surgidos de los sectores científico-tecnológico y productivo de la región, los resultados obtenidos sobre cuerpos de prueba normalizados se validaron sobre 4 prototipos estructurales de tamaño real usual y se transfirieron para solucionar problemas estructurales existentes en la construcción de viviendas e instalaciones industriales. Se investigó la resistencia y la deformación de la especie en conexiones simples sometidas a esfuerzos de aplastamiento bajo la acción de un único elemento de fijación (clavo, bulón, pasador) de elevada rigidez, así como la capacidad portante y el deslizamiento de uniones múltiples con clavos y bulones de pequeño diámetro. Los resultados fueron analizados y comparados con los reportados para otras especies y a su vez permitieron evaluar la efectividad del criterio adoptado por reglamentos de relieve internacional -y en particular por las reglas nacionales recientemente redactadas- para diseñar conexiones mecánicas con elementos de fijación de tipo clavija. Las conexiones múltiples con clavos y bulones de pequeño diámetro mostraron una capacidad portante muy superior a la calculada conforme a los métodos de diseño adoptados en Europa, EEUU, Brasil y en nuestro país. En particular, la falla de las uniones con clavos de pequeño diámetro se manifestó con una elevada ductilidad, lo cual está en línea con los requerimientos de los modernos criterios de diseño para mejorar la seguridad estructural. Estos resultados permitieron analizar configuraciones geométricas que implican una importante disminución del tamaño de las conexiones en relación al recomendado en las reglas de diseño y, consecuentemente, resolver el problema derivado del limitado espacio usualmente disponible en los nodos de estructuras reticuladas, el cual ha sido causante de numerosos colapsos bajo la acción del viento de referencia para la región. Los resultados certificaron una mayor rigidez de las conexiones en dirección paralela a las fibras que en dirección perpendicular a las mismas y confirmaron la necesidad de considerar esta variable en el cálculo del módulo de deslizamiento instantáneo. La influencia de la dirección del grano no es tenida en cuenta por reglas de diseño de relieve internacional -ni por las de aplicación nacional- para evaluar el deslizamiento de las conexiones y, por lo tanto, la utilización de las expresiones provistas por las mismas conduce a sobreestimar excesivamente la rigidez de las conexiones en dirección perpendicular a las fibras. El comportamiento de las conexiones con clavos de pequeño diámetro en las estructuras trianguladas de tamaño real fue congruente con el determinado sobre cuerpos de prueba estandarizados y se ratificó su particularmente elevada capacidad portante. Los resultados confirmaron la necesidad de contemplar la influencia del deslizamiento de las uniones sobre la resistencia y sobre las deformaciones de la estructura global. La rigidez de las conexiones, que decreció potencialmente ante un crecimiento lineal del esfuerzo, evidenció la influencia de la plastificación de los clavos esbeltos. No obstante, para cargas del nivel usual en servicio, fue posible analizar y satisfacer los requisitos del proyecto estructural empleando prácticas de diseño de uso habitual. Dada la escasez de antecedentes en nuestro país sobre la temática abordada en este Trabajo de Tesis, son numerosos los nuevos interrogantes que emergen del análisis efectuado. A su vez, los resultados obtenidos alientan la concreción de nuevos proyectos para darles respuesta. Se destaca en primer lugar por su potencial impacto nacional- la necesidad de investigar el comportamiento mecánico para otras especies forestadas en el país y comprobar si el criterio adoptado por el Reglamento Argentino de Estructuras de Madera CIRSOC 601 interpreta, con la seguridad requerida en el moderno diseño estructural, dicho comportamiento.