Análisis de la eficiencia del uso de fibras híbridas como refuerzo del hormigón. Aplicación a tubos de drenaje

Abstract

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.

Concrete reinforced with two or more types of fibers rationally combined is called hybrid fiber-reinforced concrete. This is a composite material with improved mechanical properties, especially in terms of ductility and crack control. Many types of hybrid reinforcements include the combination of fibers from different materials, with different geometric and mechanical characteristics. Among them, the combination of steel and polypropylene fibers results in improved tensile strength due to the high modulus and rigidity of the former, while the latter, with low modulus and significant deformation capacity, contributes to improving the ductility of the composite material. Hybrid fiber-reinforced concrete can be made and cast in a similar way to plain concrete, where the fibers are added to the mix in the same way as any other aggregate. The use of these concretes in drainage pipes, partially or totally substituting the traditional reinforcements of meshes and steel bars, could have a favorable impact on the precast industry from a technical and economic point of view. The mechanical behavior of hybrid fiber reinforced concrete (steel macro fibers and polypropylene) applied for the production of drainage pipes with a diameter of 600 mm is experimentally and numerically studied in this thesis. In addition, a theoretical calculation model is proposed for the estimation of the maximum load in concrete pipes reinforced with hybrid fibers, subjected to the three-edge diametrical compression test. The mechanical performance of the mentioned pipes, in terms of load capacity and failure modes, is compared with that corresponding to reinforced concrete pipes with traditional reinforcement of steel mesh, simple concrete pipes, and steel fiber reinforced concrete pipes. For this, the experimental program includes the production and testing of hybrid fiber reinforced concrete pipes with two different combinations of fibers: one of them with 20 kg/m3 of steel fibers and 0.5 kg/m3 of polypropylene fibers, and the other, with 20 kg/m3 of steel fibers and 1.0 kg/m3 of polypropylene fibers. The steel fiber reinforced concrete pipes also have two different dosages: one with 20 kg/m3 of steel fibers, and the other with 25 kg/m3 of steel fibers. The reinforced concrete pipes, which constitute the control group, correspond to resistance class II according to national regulations (Argentina). The experimental results show that the hybrid fiber-reinforced concrete pipes reached the strength requirements of the control group and offer better mechanical performance than the steel fiber-reinforced concrete pipes. In addition, they have ductile failure behavior, contrary to plain concrete pipes that exhibit dangerously brittle failure during tests. Numerical simulation is performed using a coupled damage plasticity model developed in the ABAQUS® software and calibrated from the results obtained experimentally. The model allows simulation of the behavior of the tubes from some of the mechanical properties of the constituent materials and their arrangement. The comparison of the numerical and experimental results shows the ability of the model to simulate the behavior of hybrid fibers reinforced concrete pipes in the threeedge bearing test. For the theoretical calculation of the maximum load of the tubes in the diametral compression test, an existing model for a single fiber is modified, incorporating the synergy effects generated by the hybridization of the fibers in the properties of the material. The results obtained from the modified model show an adequate approximation to the maximum load values obtained experimentally and numerically.