Modelación numérica y estudio experimental del hormigón reforzado con fibras híbridas : aplicación a vigas de gran altura

Abstract

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.Fibers have been incorporated into various materials to improve their properties. In the case of concrete, its tensile strength is known to be considerably lower than its compressive strength, so steel bar reinforcements are traditionally incorporated to improve its strength. Numerous studies have shown that the use of fibers in concrete allows for a reduction in the amount of steel bars used in various structural applications. Most fiber-reinforced concrete (FRC) is reinforced with a single type of fiber. However, concrete cracking is a multi-scale process, and a single fiber type can provide reinforcement at only one level and within a limited strain range. Therefore, optimal reinforcement can be achieved by combining fibers of different materials, geometry, and/or mechanical behavior. Consequently, improved tensile performance is achieved, while in compression, the fibers behave similarly to conventional concrete. Among the improvements in tensile strength, increased toughness, load-bearing capacity in the cracked state, and ductility are notable. Furthermore, widespread cracking is observed with smaller crack widths and a greater ability to maintain structural integrity. In the specific case of deep beams (DB), which, due to their mechanical behavior characteristics, require large amounts of reinforcement, the use of fiber-reinforced concrete is of great interest from a construction and economic perspective. In this thesis, application of steel and polypropylene fiber-reinforced concrete in DB was studied ex- perimentally and numerically. The goal of the study was to evaluate the efficiency of using these concretes in partial replacement of traditional shear reinforcement and to compare the use of concretes reinforced with one or more types of fibers. Experimental program involved the preparation of 36 scaled DB specimens with three different types of concrete: reinforced concrete, steel fiber-reinforced concrete (SFRC), and steel fiber-reinforced concrete and polypropylene (SFP). The GVs were subjected to increasing monotonic quasi-static loads in a three-point flexural test. All specimens had the same flexural reinforcement. DB with conventional reinforced concrete (fiber-free) were reinforced with standard shear reinforcement according to CIRSOC-201/05 (2005), while the FRC DB had reduced shear reinforcement compared to the standard. Load-displacement curves were obtained for each specimen, studying and comparing initial stiffness, maximum loads, post-peak load performance, and failure modes. In addition, a finite element analysis of the mechanical behavior of the DB was performed using ABAQUS®software. The Concrete Damaged Plasticity (CDP) model was adopted to represent the mechanical behavior of the concrete. This model assumes that the main failure mechanisms of concrete are tensile cracking and compression crushing. The SFRC model was performed considering concrete as a homogeneous material on the one hand, and steel fibers as discrete elements distributed throughout the concrete volume. For hybrid fiber-reinforced concrete, the uniaxial tensile behavior curves of polypropylene macrofiber-reinforced concrete obtained experimentally were incorporated into the model, allowing the contribution of these fibers to the material mechanical strength to be considered. Experimental study led to the conclusion that the fibers incorporated into the concrete matrix, whether combined or of a single type, improved the shear strength of the beams with reduced reinforcement, increasing the maximum loads. Furthermore, the FRC specimens showed more extensive cracking patterns and smaller crack openings. Comparing the numerical results with the experimental results demonstrated the ability of the nonlinear finite element model to predict the mechanical behavior of the DB. A good approximation to the experimental results was observed in terms of initial stiffness, maximum load, post-peak behavior, and failure modes of the DB.