Modelo numérico y verificación experimental del comportamiento en servicio de estructuras de hormigón

Abstract

En aquest treball s'ha desenvolupat un model per a l'anàlisi no lineal i evolutiva, en servei, de pòrtics plans de formigó armat o pretensat, aplicable també a estructures mixtes, que incorpora els principals fenòmens que intervenen en el seu comportament.<br/><br/> El model es basa en una extensió de la formulació matricial per a l'anàlisi de barres (Formulació Matricial Generalitzada - FMG) aplicada a estructures reticulars planes. La contribució del formigó traccionat entre fissures (tension stiffening) es contempla mitjançant un model de fissuració distribuïda que modifica la lleii constitutiva del formigó en tracció. S'ha realitzat un estudi detallat de l'esmentat model tant en comportament instantani com diferit i es presenta una proposta par a la determinació dels coeficients que el defineixen a partir de les característiques seccionals.<br/><br/> S'ha contemplat la construcció evolutiva tant a nivell seccional com estructural, la variació de les propietats dels materials amb el temps i la variació temporal de les accions. La generalitat de la proposta permet la incorporació del comportament diferit dels materials segons diferents formulacions i la inclusió futura de lleis constitutives no lineals per a l'acer o el formigó en compressió.<br/><br/> El model s'ha mostrat capaç de reproduir de manera adequada els resultats obtinguts de procediments analítics, d'altres models i els d'assaigs disponibles en bases de proves de referència (benchmarks). També s'ha contrastat satisfactòriament amb els assaigs realitzats. En els exemples presentats es mostra l'aptitud per a l'anàlisi d'estructures amb un nombre relativament elevat de nusos i de barres i amb processos constructius diversos i es posa de manifest la possibilitat de realitzar estudis paramètrics per a analitzar la influència de diferents variables.<br/><br/> La part experimental ha consistit en la construcció, instrumentació i assaig d'una biga contínua de formigó armat de dos trams amb càrregues puntuals aplicades al centre de cadascun d'ells. Poden distingir-se tres fases: càrrega fins a les condicions de servei, descàrrega i reforç, finalment, càrrega fins a la ruptura. El reforç consisteix en la incorporació de xapes metàl·liques adherides amb resines epoxídiques. La instrumentació instal·lada i els mesuraments manuals realitzats han permès seguir l'evolució de tensions, deformacions i desplaçaments. Els resultats mostrat un alt grau de concordança amb els que s'han obtingut amb el model numèric desenvolupat.

En el presente trabajo se ha desarrollado un modelo para el análisis no lineal y evolutivo, en servicio, de pórticos planos de hormigón armado o pretensado, también aplicable a estructuras mixtas, que incluye los principales fenómenos que intervienen en su comportamiento. <br/><br/> El modelo se basa en una extensión de la formulación matricial para el análisis de barras (Formulación Matricial Generalizada - FMG) aplicada a estructuras reticulares planas. La contribución del hormigón traccionado entre fisuras (tension stiffening) se contempla mediante un modelo de fisuración distribuida que modifica la ley constitutiva del hormigón en tracción. Se ha realizado un estudio detallado de dicho modelo tanto en comportamiento instantáneo como diferido y se presenta una propuesta para la determinación de los coeficientes que lo definen a partir de las características seccionales. <br/> <br/>Se ha contemplado la construcción evolutiva tanto a nivel seccional como estructural, la variación de las propiedades de los materiales con el tiempo y la variación temporal de las acciones. La generalidad de la propuesta permite la incorporación del comportamiento diferido de los materiales según distintas formulaciones y la inclusión futura de leyes constitutivas no lineales para el acero o el hormigón en compresión.<br/><br/> El modelo se ha mostrado capaz de reproducir de manera adecuada los resultados obtenidos de procedimientos analíticos, de otros modelos y los de ensayos disponibles en bases de pruebas de referencia (benchmarks). Asimismo se ha contrastado satisfactoriamente con los ensayos realizados. En los ejemplos presentados se muestra la aptitud para el análisis de estructuras con un número relativamente elevado de nudos y de barras y con procesos constructivos diversos y se pone de manifiesto la posibilidad de realizar estudios paramétricos para analizar la influencia de distintas variables. <br/><br/> La parte experimental ha consistido en la construcción, instrumentación y ensayo de una viga continua de hormigón armado de dos vanos con cargas puntuales aplicadas en el centro de cada uno de ellos. Pueden distinguirse tres fases: carga hasta condiciones de servicio, descarga y refuerzo y, finalmente, carga hasta la rotura. El refuerzo consiste en la incorporación de chapas metálicas adheridas con resinas epoxídicas. La instrumentación instalada y las mediciones manuales realizadas han permitido seguir la evolución de tensiones, deformaciones y desplazamientos. Los resultados han tenido un alto grado de concordancia con los obtenidos mediante el modelo numérico desarrollado.

A model for the non-linear analysis under serviceability conditions of plane concrete frames (suitable for composite concrete - steel structures) taking into account segmental construction has been developed.<br/><br/> The model is based in an extension of the classical matrix theory for the analysis of frames (Generalized Matrix Formulation - GMF). The contribution of the tensioned concrete between cracks (tension stiffening) is simulated by a modified constitutive law for concrete in tension. A detailed study of the model for both instantaneous and long - time behavior has been performed, and a proposal to determine the coefficients defining the uniaxial tensioned concrete constitutive relationship from sectional characteristics is presented.<br/><br/> Segmental construction (sectional and structural), load history and temporal changing in material properties are considered in the model. The generality of the proposal allows simulating the materials time - dependent behavior using several formulations. In future development, non - linear constitutive laws for the steel and for the compressed concrete will be incorporated.<br/><br/> The model has been able to adequately reproduce the results obtained from analytical procedures, other models and from experiments available in benchmarks. Likewise good agreement has been obtained with results from specific tests carried out for this work. An objective of the thesis was to develop a scaled - up model suitable to analyze structures with many elements and with diverse construction processes. The examples included show it as well as the possibility to make parametrical studies to analyze the influence of several variables.<br/><br/> The experimental part of the work has consisted in the construction, instrumentation and testing of a two - span continuous reinforced concrete beam with concentrated loads at the center of each span. Three phases can be distinguished: loading until serviceability conditions, unloading and strengthening and, finally, loading until collapse. Strengthening consists in bonded steel plates using epoxy resins. The installed instrumentation and the manual measurements have allowed registering the variation of stresses, strains and displacements. The results have showed a good agreement with those obtained from the numerical model.